Nature：发现上百种产生电流的细菌

虽然在矿井和湖泊底部等外部环境中发现了产电细菌（electricity-generating bacteria），但是科学家们却错过了一个离家更近的来源：人类肠道。

在一项新的研究中，来自美国加州大学伯克利分校的研究人员发现作为一种常见的引起腹泻的细菌，单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）以一种与已知的产电细菌完全不同的方式产生电流，而且上百种其他的细菌物种也利用这种相同的过程产生电流。相关研究结果于2018年9月12日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria”。论文通信作者为加州大学伯克利分校的Dan Portnoy教授。

图片来自Nature, doi:10.1038/s41586-018-0498-z。

这些产电的细菌中的大多数是人体肠道微生物组的一部分，而且类似于导致食源性疾病李斯特菌病和也能够导致流产的李斯特菌的是，很多细菌也是致病性的。导致坏疽的细菌，即产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens），医院获得性感染（粪肠球菌）和一些致病性的链球菌也产生电流。其他的产电，如乳酸杆菌，在发酵酸奶中起着重要的作用，而且它们中的多数是益生菌。

细菌产生电流与我们呼吸氧气的原因相同：去除代谢过程中产生的电子和促进能量产生。尽管动物和植物将它们的电子转移给每个细胞的线粒体内的氧气，但是在没有氧气的环境--包括我们的肠道，还有酒精发酵桶、奶酪发酵桶和酸性矿井---中，细菌必须找到另一种电子受体。在地质环境中，这种电子受体通常是细胞外的矿物质，如铁或锰。从某种意义来说，这些细菌“呼吸”铁或锰。

将来自细胞的电子转移到矿物质需要一系列特殊的化学反应，即所谓的细胞外电子传递链（extracellular electron transfer chain），在这种传递链中，它将这些电子作为微小的电流进行传递。一些科学家利用这种传递链制造电池：将电极植入到含有这些细菌的烧瓶中，这样就能够发电了。

这种新发现的细胞外电子传递系统实际上比已知的传递链更简单，而且似乎仅在必要时（可能是在较低的氧气水平时）才被细菌使用。到目前为止，这种更简单的电子传递链已在具有单细胞壁的细菌（被归类为革兰氏阳性菌）中发现到，这些细菌生活在具有大量黄素（维生素B2的衍生物）的环境中。

论文第一作者、加州大学伯克利分校博士后研究员Sam Light说，“这些细菌的细胞结构和它们所占据的富含维生素的生态小生境使得它们更容易和更具成本效益地将电子从细胞中转移出来。”

为了了解这种细胞外电子传递系统的稳健性，Light与美国劳伦斯伯克利国家实验室的Caroline Ajo-Franklin合作开展研究。

Light利用电极测量从这些细菌中流出的电流---高达500微安，从而证实它们确实是产电的。实际上，它们产生的电量与已知的产电细菌一样多，即每个细胞每秒产生大约100000个电子。

Light和Portnoy针对这些细菌如何以及为何产生这种如此独特的细胞外电子传递系统提出了更多的问题。简单性（相比于通过两个细胞壁，通过一个细胞壁传递电子更容易）和机会（利用无处不在的黄素分子去除电子）似乎已让这些细菌能够找到一种在富含氧气的环境中和在缺氧的环境中存活下来的方法。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Samuel H. Light, Lin Su, Rafael Rivera-Lugo et al. A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria. Nature, Published Online: 12 September 2018, doi:10.1038/s41586-018-0498-z.

Laty A. Cahoon & Nancy E. Freitag. The electrifying energy of gut microbes. Nature, Published Online: 12 September 2018, doi:10.1038/d41586-018-06180-z.