浙江
莱斯大学生物科学家卡罗琳·阿乔-富兰克林领导的研究小组发现了某些细菌如何通过发电进行呼吸，这种细菌利用一种自然过程将电子推向周围环境，而不是呼吸氧气。这项发表在《细胞》杂志上的研究成果有望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释放电子，研究人员得以一窥细菌生命中此前隐藏的一种策略。这项融合生物学与电化学的研究，为未来利用这些微生物独特能力的技术奠定了基础。
“我们的研究不仅解决了一个长期存在的科学谜团，而且还指出了自然界中一种新的、可能广泛存在的生存策略，”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和研究机构 (CPRIT) 学者阿乔-富兰克林说。
大多数现代生物依靠氧气来代谢食物并释放能量。氧气是产生能量的一系列反应中的最终电子受体。但比人类和植物等现代生物古老得多的细菌，已经进化出了在缺氧环境中呼吸的其他方式，包括深海热液喷口和人类肠道。
研究人员发现，一些细菌利用一种名为萘醌的天然化合物将电子转移到细胞外表面。这一过程被称为细胞外呼吸，模拟了电池放电的过程，使细菌能够在没有氧气的情况下茁壮成长。
卡罗琳·阿乔-富兰克林和比基·巴皮·昆杜等研究人员发现了某些细菌如何通过发电进行呼吸。图片来源：杰夫·菲特洛/莱斯大学
科学家们长期以来一直观察着这种不寻常的呼吸模式，并将其作为一种黑匣子应用于生物技术。如今，赖斯大学领导的研究小组揭示了其机制——这一突破表明，细胞外呼吸在自然界中可能比之前认为的更为普遍。
“这种新发现的呼吸机制是一种简单而巧妙的完成工作的方式，”莱斯大学博士生、该研究的第一作者比基·巴皮·昆杜(Biki Bapi Kundu)说。“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。”
赖斯大学的研究人员与加州大学圣地亚哥分校的帕尔森实验室合作，验证了他们的研究成果。他们利用先进的计算机模型，模拟了细菌在缺氧但富含导电表面的环境中生长的情况。
模拟结果表明，细菌确实可以通过向外释放电子来维持自身生存。进一步的实验室测试证实，放置在导电材料上的细菌能够持续生长并产生电流，从而有效地通过表面进行呼吸。
这种跨学科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。释放电流的细菌可以修复这些失衡，从而保持系统高效运行。
“我们的研究为利用可再生电力来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利用阳光的植物，”阿乔-富兰克林说。“这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工具。
编译自/ScitechDaily
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