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氨基酸导电(细菌能呼出电流的奥秘是什么?我们如何加以利用?)

氨基酸导电

利用细菌发电具有哪些优点概括

对于无口无肺的细菌来说,呼吸比人类更复杂。我们吸入氧气,呼出二氧化碳;地杆菌(Geobacter)是一种普遍存在于地下水中的细菌,它吞下有机废物并“呼出”电子,在这个过程中产生微小的电流。

细菌能呼出电流的奥秘是什么?我们如何加以利用?

这些废弃的电子总是需要去某个地方(通常是进入一种丰富的地下矿物,比如氧化铁),地杆菌会用独特的方法来确保它们到达那里。

地杆菌用一个巨大的通气管呼吸,它的大小是地杆菌的几百倍。

这种“通气管”被称为纳米线。尽管这些微小的导电细丝比人类头发的宽度小10万倍,但它们中能够穿梭电子,其长度是单个地杆菌个体长度的数百至数千倍。地杆菌是地球上最令人印象深刻的呼吸系统之一。在你的鼻子上接一个300米长的管子,让你呼吸,你的肺活量应该做不到这一点。

数十亿的细菌在海底下无时无刻不在制造着电子,电流在传导中嗡嗡作响。在8月17日发表在《自然-化学生物学》杂志上的一项新研究中,马尔万卡尔和他的同事们已经找到了如何将这些能量组合成一个强大的微生物电网的方法。

利用先进的显微镜技术,研究人员发现了一种“隐秘分子”,它使得地杆菌可以呼吸到超远的距离,而普通细菌是做不到的。研究小组还发现,通过用电场刺激地杆菌菌落,这些微生物传导电流的效率是自然环境中的1000倍。

研究人员说,了解地杆菌这些先天的电适应能力是将地杆菌菌落转化为可呼吸活电池的关键一步。

最令人震惊的微生物

细菌能呼出电流的奥秘是什么?我们如何加以利用?

在地下深处潮湿、缺氧的土壤中,地杆菌可以在恶劣的环境中生存,其他微生物很少能做到。纳米线可以让它们在没有氧气的情况下呼吸,这对于保持地杆菌在地下的生存至关重要,在实验室中生长的地杆菌菌落并不总是在丰富的矿物质附近生活。

在之前的研究中,马尔万卡尔和他的同事发现,当实验室培养的硫化土杆菌微生物暴露于一个小电极或一个导电的圆盘时,它们显示出一个聪明的生存技巧。在电场的刺激下,这些微生物聚集成致密的生物膜,成堆成堆的微生物相互连接,通过一个单一的共享网络移动电子。

马尔万卡尔说:“它们像高层公寓一样,高达数百层。”它们可以共享同一个电网,不断地倾倒电子。”

“高层建筑100层”上的微生物如何能够一路射出电子,一直射到堆的底部,然后通过一根纳米线发射出去。这是马尔万卡尔和他的同事们需要重点研究的。

为了发现纳米线的秘密,研究者使用了两种尖端显微镜技术分析了实验室培养的地杆菌。第一种被称为高分辨率原子力显微镜(high-resolution atomic force microscopy),通过用一个非常灵敏的机械探针接触纳米线的表面,收集了有关纳米线结构的详细信息。

通过第二种被称为红外纳米光谱的技术,研究人员根据纳米线对射入红外光的散射方式来识别纳米线中的特定分子。通过这两种方法,研究人员在地杆菌纳米线的蛋白质中发现了每种氨基酸的“独特指纹”。

研究小组发现,当受到电场的刺激时,地杆菌会产生一种以前不曾发现的,由OmcZ蛋白质制成的纳米线。它制造出的纳米线导电效率是地杆菌在土壤中制造的典型纳米线的1000倍,使微生物能够将电子传送到前所未有的超远距离。

马尔万卡尔说:“众所周知,细菌可以发电,但没有人知道其分子结构。”最后,我们找到了那个分子。”

会呼吸的活电池

十多年来,研究人员一直想利用地杆菌菌落为小型电子设备供电。这些所谓的微生物燃料电池的一大好处就是它们的寿命。细菌几乎可以无限期地自我修复和繁殖,产生一个小而恒定的电荷;在美国海军2008年进行的一项实验中,研究人员使用地杆菌燃料电池为华盛顿特区波托马克河的一个小型气象浮标供电9个多月,没有任何减弱迹象。然而,这些燃料电池提供的电量非常小(海军浮标的功率约为36毫瓦,或千分之一瓦),严重限制了它们能提供电力的电子产品类型。

通过这项新的研究,科学家们现在知道了如何操纵微生物纳米线,使它们更坚固、更导电。马尔万卡尔说,这些信息可以使生物电子产品的生产既便宜又容易,有望迎来新一代环保、细菌驱动的电池。

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