發現腸道細菌的小秘密？讓你生病的它們也能被用來發電

(圖源：ScienceDaily)

雖然在諸如礦井和湖底等奇異環境中發現了能發電的細菌，但科學家們卻錯過了一個更接近人類腸道的來源。

加州大學伯克利分校的科學家發現，一種常見的引起腹瀉的細菌，單核增生李斯特菌，使用一種完全不同於已知的產電細菌的技術來發電，而數百種其他細菌也使用同樣的方法。

這些發電的細菌中有許多是人體腸道菌群的一部分，其中許多是致病的，比如引起食源性疾病的李斯特菌病(listeriosis)，這種病也會導致流產。

引起壞疽的細菌(魏氏梭菌)和醫院獲得性感染(糞腸球菌)以及一些致病的鏈球菌也能產生電能。

其他的發電細菌，比如乳酸菌，在發酵酸奶中很重要的一種，很多都是益生菌。

「事實上,很多與人類相互作用的細菌,如病原體或益生菌，或在人類微生物群中，或參與發酵過程的,都可以發電——之前,我們錯過了它們。」加州大學伯克利分校分子和細胞生物學以及植物和微生物學教授Dan Portnoy說。

「它可以告訴我們這些細菌如何感染我們，或者幫助我們擁有健康的腸道。」

這一發現對那些目前試圖用微生物來製造活電池的人來說是個好消息。例如，這種「綠色」生物能源技術可以利用廢物處理廠的細菌中發電。

這項研究將於9月12日在《自然》雜誌10月4日出版之前在線發布。

「呼吸」金屬

細菌產生電能的原因與我們呼吸氧氣的原因相同:清除新陳代謝過程中產生的電子，支持能量的產生。

動物和植物將它們的電子轉移到每個細胞線粒體內的氧氣中，而在沒有氧氣的環境中——包括我們的腸道，也包括酒精和乳酪發酵槽和酸性礦——細菌必須找到另一個電子受體。

在地質環境中，這通常是一種礦物——比如鐵或錳——在細胞外。

在某種意義上，這些細菌「呼吸」鐵或錳。

將電子從細胞轉移到礦物需要一系列特殊的化學反應，即所謂的細胞外電子轉移鏈，它以微小的電流攜帶電子。

一些科學家已經用這條鏈來製造電池:把一個電極放在裝有這些細菌的燒瓶中，你就可以發電了。

新發現的細胞外電子轉移系統實際上比已知的轉移鏈更簡單，而且似乎只有在必要時細菌才會使用，也許是在氧氣水平低的時候。

到目前為止，這種更簡單的電子傳遞鏈已經在一個只擁有單細胞壁的細菌中發現，這種細菌被分類為革蘭氏陽性細菌，這些細菌生活在含有大量黃素的環境中，而黃素是維生素B2的衍生物。

第一作者、博士後研究員薩姆·萊特(Sam Light)說:「看來，這些細菌的細胞結構和它們所佔據的富含維生素的生態位，使得電子從細胞中轉移出來變得更容易、更經濟。」

「因此，我們認為，傳統上研究的礦物質呼吸細菌使用細胞外電子轉移，是因為它對生存至關重要，而這些新發現的細菌使用它，是因為它『容易』。」

為了了解這個系統的健壯性，Light與來自勞倫斯伯克利國家實驗室的Caroline Ajo-Franklin合作，她研究了活的微生物和無機材料之間的相互作用，以用於碳捕獲、封存和生物太陽能發電。

她使用一個電極來測量從細菌中流出的電流——最高可達500微安——證實了它確實是發電的。

事實上，它們產生的電大約相當於每細胞每秒10萬個電子，就像我們所知的產電細菌一樣。

萊特特別感興趣的是這種系統存在於乳酸菌中，這種細菌對乳酪、酸奶和酸菜的生產至關重要。

他認為，也許電子傳遞在乳酪和酸菜的味道中起了作用。

他說:「這是細菌生理學的一個很大的部分，人們沒有意識到它的存在，而且它可以被潛在地操縱。」

Light和Portnoy對這些細菌如何以及為什麼會發展出如此獨特的系統還有很多疑問。

簡單來說，為什麼通過一個細胞壁轉移電子比通過兩個更容易，怎樣利用無處不在的黃素分子來擺脫電子，這些關鍵似乎讓這些細菌找到了在富氧和貧氧環境中生存的方法。

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