肠道细菌骇人听闻的密码：它们放电

你可能知道在某个奇异环境下发现的细菌能放电，你听说过人体内的细菌也能放电吗？

加州大学伯克利分校的科学家发现，单核细胞增多性李斯特菌（Listeria monocytogenes）可以利用与已知的发电细菌完全不同的技术制造电能，甚至许多人类肠道细菌也属于“放电细菌”，例如致病性的李斯特菌、产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）、粪肠球菌（Enterococcus faecalis）和致病性链球菌，以及广泛应用于酸奶发酵的乳酸杆菌（Lactobacilli）。

“许多与人类相互作用的细菌，无论是病原体还是益生菌，无论是与我们共生的微生物群还是参与人类产品发酵的工程菌，它们都产电，奇怪的是，过去我们竟然没有注意到，”分子和细胞生物学、植物和微生物学教授Dan Portnoy说。

这一发现对试图利用微生物制造活电池的科学家来说是个极好的消息，意味着，这种“绿色”生物能源技术可以将废物处理厂的细菌变废为宝。

9月12日《Nature》杂志在线发表了这篇文章。

会呼吸的金属

细菌生产电能跟我们呼吸氧气是一个道理：去除新陈代谢和能量供应过程中生产的电子。动物和植物将电子传递给线粒体内的氧气，在缺氧条件下，包括我们肠道内、酒精和奶酪发酵罐里的细菌必须找到其他电子受体，在地质环境中，电子受体通常是位于细胞外的铁或锰之类的矿物，从某种意义上，这些细菌“呼吸”铁或锰。

延伸阅读：

将电子从细胞内传递给矿物需要特殊的化学级联反应，所谓的细胞外电子转移链（extracellular electron transfer chain），这条链携带微弱的电流。一些科学家利用它制备生物电池，将电极放在含有细菌的烧杯里，你就可以发电。

新发现的细胞外电子转移系统实际上比已知的转移链更简单！但是，只有在必要时（也许是氧气水平较低时），细菌才会启动。

科学家们在具有单层细胞壁的细菌被归类为革兰氏阳性菌中发现了这种简单链，革兰氏阳性菌喜欢生活在含有大量微生物素B2衍生物（flavin）的环境中。

“看来，这些细菌的细胞结构和微生物富集生态位对高效能地向细胞外传递电子具有显著意义，”本文一作、博后学者Sam Light说。“因此，我们过去认为矿物呼吸细菌利用细胞外电子转移是为了生存，新研究表明，细菌都喜欢用它，因为它更‘省事儿’。”

为了测试该系统的稳健性，Light团队与劳伦斯-伯克利国家实验室的Caroline Ajo-Franklin合作，探索了活微生物与无机材料之间的相互作用——碳捕获和储存以及生物太阳能发电。

经测量，从细菌中流出的电流高达500微安，科学家们确认它确实是电性的。事实上，它们产生的电能大约为每秒100000个电子。

乳酸菌也具备该系统引起了人们的兴趣，乳酸菌被广泛用于生产奶酪、酸奶喝泡菜。他认为，也许电子传递对奶酪和泡菜的味道起了一定作用。“这是细菌生理学的一部分，一大片未知被揭晓了，而且这些细菌还可以被操纵，”Light说。

Light和Portnoy对这些细菌如何以及为什么产生了这样一个独特的系统感到好奇。首先它很简单——通过一层细胞壁传递电子比通过两层细胞壁传递电子更容易；其次是环境条件有利——直接利用环境中的flavin分子去除电子，如此一来，细菌似乎在富氧和贫氧环境下都能很好的生存。