电子携带蛋白质的串可能是“电子细菌”的秘密

一种独特的细菌可以成为大自然的微观发电厂吗?科学家Moh El-Naggar和他的团队认为这是可能的。他们与Shewanella oneidensis种细菌一起工作，这是一组基本上“呼吸”岩石的微生物之一。

作为其新陈代谢的一部分，细菌已经开发出一种将电子从细胞内部穿过其外膜转移到外界接收表面的方法。这个过程类似于人类使用氧气呼吸的方式。身体从食物中获取电子，并最终将这些电子转移到肺部吸入的氧气中。

该生物体是近30年前由Kenneth Nealson发现的，他现在是环境研究的瑞格利主席，以及USC Dornsife的地球科学和生物科学教授。科学家们最近有兴趣了解细菌究竟是如何脱离这种特殊的生物技巧。

USC Dornsife的物理，生物科学和化学副教授El-Naggar以及南加州大学和加州理工学院的合作团队认为他们有答案。他们的论文于3月22日由美国国家科学院院刊发表，重点介绍了这些细菌如何使用“纳米线”来完成电子专长的新研究。

微机器

利用生物有机资源获取能源，为新的可持续技术提供了巨大的潜力。甲微生物燃料电池，例如，可以通过在电极上，而不是这些生物体进化到呼吸岩石捕获来自细菌电子发电。

“微生物是高度进化的机器，”El-Naggar说。“我们在这里拥有的是一个真正擅长转换能量和与非生物世界互动的课程。”

使用“电细菌”的另一个优点已经在USC废水处理中进行了探索。微生物以废物为食，氧化有机物质并产生少量电能。

除了无数的实际应用之外，这些生物可以举例说明在存在很少或不存在氧气的环境中存在的生命类型，例如深海或火星表面。

El-Naggar是自然科学早期职业教育主席Robert D. Beyer('81)的负责人，他说，在细胞外放置电子是他们生存的方式。“如果要关闭将电子从系统中转移出来的能力，它们将无法制造能量。细菌基本上会窒息死亡。”

为生存而连线

在显微镜下，科学家们可以看到从这些细胞中伸出的细丝。多年来，流行的假设是，这些是一种叫做菌毛的微小毛发，与其他类型的细菌相似。

但是在2013年，El-Naggar实验室的一位研究科学家Sahand Pirbadian发现，这些被称为“纳米线”的投影实际上是细胞膜覆盖的细胞膜的延伸 - 含有铁的蛋白质促进电子传递。这些纳米线使细菌与表面的连接距离远远超出预期。

通过光学显微镜成像，该团队了解纳米线的基本成分。但他们很好奇细胞色素是否足够接近以沿着电线传输电子。如果密度足够高，他们认为可以沿着膜形成桥，这将允许电子穿过外表面。

在膜中疯狂

在目前的研究中，El-Naggar和Pirbadian与加州理工学院的Grant Jensen和Poorna Subramanian合作，使用电子冷冻切片术或ECT的专家。

使用ECT，研究人员可以立即冻结细胞，以非常接近其自然状态的形式保存细胞，然后以三维纳米级分辨率对其进行成像。

Subramanian和Pirbadian能够捕获细菌及其纳米线的逼真图像。他们发现的是有趣的。

“这些不是简单的管子，”El-Naggar说。“它们更像是一串薄膜珍珠，串在一起。”

利用ECT生成的图像，该团队首次了解电子传递蛋白如何在膜中分布以形成纳米线。虽然有些人相互接触，但许多人进一步分开 - 达到30纳米 - 一个范围太远，电子不能跳跃。

有了这些新信息，该团队提出蛋白质漂浮在膜内。这产生恰好足够的碰撞以允许电子从一个到另一个交换，直到它们到达纳米线的末端并转移到岩石或金属表面。

他们的下一步是确认这些碰撞实际上正在发生。

虽然还有很多东西需要学习，但El-Naggar对研究可能带来的方向感到兴奋。

“我的实验室受到了我们可以开发新机器的想法的推动，其中活细胞作为混合生物 - 非生物系统的一部分发挥作用，”他说。“我们正在努力建立新一代生活电子产品的基础。”

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