腸道細菌令人震驚的秘密：它們產生電

雖然在諸如礦山和湖泊底部的外來環境中發現了產生電能的細菌，但科學家們已經錯過了一個離家更近的地方：人類的腸道。

加州大學伯克利分校的科學家們發現，一種常見的導致腹瀉的細菌，李斯特菌，使用一種完全不同於已知的電致病菌的技術來產生電能，而其他數百種細菌也使用同樣的方法。

許多這些引發細菌的細菌都是人類腸道菌群的一部分，而許多細菌，比如導致食源性疾病的細菌李斯特菌病，也可能導致流產，是致病的。引起壞疽（梭狀芽胞桿菌）和院內感染（糞腸球菌）和一些致病的鏈球菌的細菌也會產生電。其他的電性細菌，如乳酸菌，在發酵酸奶中很重要，很多都是益生菌。

「事實上,很多細菌與人類的相互作用,如病原體或益生菌或人類微生物群或參與發酵的產品,是電致——之前,已經錯過了,」Dan Portnoy說,加州大學伯克利分校教授的分子和細胞生物學和植物和微生物生物學。「它可以告訴我們很多關於這些細菌如何感染我們或幫助我們擁有健康的腸道。」

這一發現對於那些試圖從微生物中製造活電池的人來說是個好消息。例如，這種「綠色」生物能源技術可以從廢物處理廠的細菌中產生電能。

細菌產生電能的原因和我們呼吸氧氣的原因是一樣的：在新陳代謝過程中去除產生的電子，並支持能量生產。動物和植物把它們的電子轉移到每個細胞的線粒體里，而沒有氧氣的環境中的細菌——包括我們的腸道，還有酒精和乳酪發酵桶和酸性礦——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——例如鐵或錳——在細胞外。在某種意義上，這些細菌「呼吸」鐵或錳。

將電子從細胞中轉移到一種礦物中需要一系列特殊的化學反應，即所謂的細胞外電子傳遞鏈，它攜帶電子作為微小的電流。一些科學家利用這個鏈條製造了一個電池：把一個電極插在這些細菌的燒瓶里，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的時候才會被細菌使用，也許是在氧氣水平較低的時候。到目前為止，這種更簡單的電子轉移鏈已經在一種單一細胞壁的細菌中被發現——微生物被歸類為革蘭氏陽性細菌——生活在含有大量黃酮的環境中，這些物質是維生素B2的衍生物。

「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，使得把電子從細胞中轉移出來變得更容易，也更有成本效益，」第一作者Sam Light說，他是一位博士後研究員。「因此，我們認為傳統研究的礦物呼吸細菌正在使用細胞外的電子轉移，因為它對生存至關重要，而這些新發現的細菌正在使用它，因為它很容易。」

為了了解這個系統有多強大，光線與來自勞倫斯伯克利國家實驗室的Caroline Ajo-Franklin合作，他探索了活的微生物和無機材料之間的相互作用，以便在碳捕獲和封存和生物太陽能發電中應用。

她用一個電極來測量從細菌中湧出的電流——高達500微安培——這證實了它確實是電性的。事實上，他們製造的電——每秒鐘大約有10萬個電子——就像已知的電致病菌一樣。

光對乳酸菌的存在特別感興趣，這是一種對乳酪、酸奶和德國泡菜至關重要的細菌。也許，他認為，電子運輸在乳酪和德國泡菜的味道中扮演著重要的角色。

他說：「這是人們沒有意識到的細菌生理學的一個重要組成部分，這可能是有可能被操縱的。」

Light和Portnoy有更多的問題，關於這些細菌如何以及為什麼會發展出這樣一個獨特的系統。簡單——通過一個細胞壁而不是通過兩個細胞來轉移電子更容易——而且機會——利用無處不在的黃酮分子來擺脫電子——似乎使這些細菌能夠在富氧和缺氧的環境中找到一種生存的方法。

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