发电细菌的生存策略可能重塑生物技术和能源系统

由莱斯大学生物科学家Caroline Ajo Franklin领导的一个团队发现了某些细菌是如何通过发电来呼吸的，这是一种将电子推入周围环境而不是靠氧气呼吸的自然过程。

发表在《细胞》杂志上的研究结果可能会推动清洁能源和工业生物技术的新发展。

通过识别这些细菌如何向外排出电子，研究人员提供了一个以前隐藏的细菌生命策略的一瞥。这项工作将生物学与电化学相结合，为利用这些微生物独特能力的未来技术奠定了基础。

“我们的研究不仅解决了一个长期存在的科学之谜，而且还指出了一种新的、可能广泛存在于自然界中的生存策略，”生物科学教授、水稻合成生物学研究所所长、德克萨斯州癌症预防与研究所（CPRIT）学者Ajo-Franlin说。

大多数现代生物都依赖氧气来代谢食物和释放能量。氧气是产生能量的一系列反应中的最终电子受体。但是，细菌比人类和植物等现代生物要古老得多，它们已经进化出了在缺氧环境中呼吸的其他方式，包括深海喷口和人体肠道。

研究人员发现，一些细菌使用天然存在的萘醌化合物将电子转移到外表面。这个过程被称为细胞外呼吸，模拟了电池放电的方式，使细菌在没有氧气的情况下茁壮成长。

科学家们长期以来一直观察到这种不寻常的呼吸模式，并将其作为一个黑匣子在生物技术中加以利用。现在，Rice领导的一个团队发现了它的机制——这一突破表明，细胞外呼吸在自然界中可能比以前认为的更常见。莱斯大学博士生、该研究的第一作者Biki Bapi Kundu说：“这种新发现的呼吸机制是完成这项工作的一种简单而巧妙的方法。”。“萘醌就像分子信使，将电子带出细胞，这样细菌就可以分解食物并产生能量。”莱斯大学的研究人员与加州大学圣地亚哥分校的Palsson实验室合作，测试了他们的发现。他们使用先进的计算机建模，模拟了细菌在缺氧但富含导电表面的环境中的生长。

模拟结果表明，细菌确实可以通过向外部释放电子来维持生存。进一步的实验室测试证实，放置在导电材料上的细菌继续生长并产生电力，有效地通过表面呼吸。

这种跨学科的方法加深了对细菌代谢多功能性的理解，并揭示了一种实时电子监测和影响细菌行为的方法。

这一基础性发现具有深远的实际意义。通过更好地管理电子失衡，废水处理和生物制造等生物技术过程可以得到显著改善。释放电力的细菌可以修复这些不平衡，使系统高效运行。Ajo Franklin说：“我们的工作为通过可再生电力利用二氧化碳奠定了基础，细菌在光合作用中的作用类似于植物在阳光下的作用。”。“它为构建以生物学为核心的更智能、更可持续的技术打开了大门。”

该技术还可以在缺氧环境中实现生物电子传感器，为医疗诊断、污染监测和深空探索提供新的工具。

本研究的合著者包括加州大学圣地亚哥分校的Jayanth Krishnan、Richard Szubin、Arjun Patel、Bernhard Palsson和Daniel Zielinski。p