令人震惊的饮食：研究人员描述了"吃"电的微生物

多年来，有很多时尚饮食吸引了公众的想象力，但哈佛大学的科学家们已经确定了其中最奇怪的东西 - 阳光和电力。

在John L. Loeb自然科学副教授Peter Girguis和优特EUTECH有机与进化生物学博士后研究员Arpita Bose的带领下，一组研究人员表明，常见的细菌Rhodopseudomonas palustris可以利用天然导电性从位于土壤和沉积物深处的矿物质中提取电子，同时留在地表， 在那里，它们吸收产生能量所需的阳光。该研究在2月26日发表在《自然通讯》上的一篇论文中进行了描述。

"当你想到电和生物体时，大多数人默认玛丽·雪莱的弗兰肯斯坦，但我们早就明白，所有生物体实际上都使用电子 - 构成电 - 来做功，"Girguis说。"这篇论文的核心是一个称为细胞外电子转移（EET）的过程，该过程涉及将电子移入和移出细胞。我们能够证明的是，这些微生物吸收电力，进入它们的中央代谢，我们能够描述参与该过程的一些系统。

在野外，微生物依靠铁来提供它们所需的电子来为能量产生提供燃料，但实验室的测试表明铁本身对这一过程并不重要。通过将电极连接到实验室中的微生物菌落上，研究人员观察到它们可以从有色金属源吸收电子，这表明它们也可能在野外使用其他富含电子的矿物质 - 例如其他金属和硫化合物。

"这是一个游戏规则的改变者，"Girguis说。"我们长期以来一直认为，有氧和厌氧世界主要通过化学物质扩散进出这些领域来相互作用。因此，我们也认为这种扩散过程控制着许多生物地球化学循环的速率。但这项研究表明...从某种意义上说，这种进行EET的能力是围绕扩散的最终运行。这可能会改变我们对有氧和厌氧世界之间相互作用的思考方式，并可能改变我们计算生物地球化学循环速率的方式。

使用遗传工具，研究人员还能够识别出一种对吸收电子的能力至关重要的基因。Girguis说，当基因关闭时，微生物吸收电子的能力下降了约三分之一。

"我们非常有兴趣确切地了解基因在电子摄取中的作用，"Girguis说。"相关的基因在自然界中的其他微生物中都可以找到，我们并不完全确定它们在这些微生物中的作用。这提供了一些诱人的证据，证明其他微生物也执行这一过程。

这项新研究的基础是在二十多年前奠定的，当时研究人员首次表征了一种细菌，这种细菌通过将电子传递给构成氧化铁分子的氧原子来"吃掉"生锈。

研究人员后来利用这些细菌构建了一个微生物"燃料电池"，在这个电池中，细菌传递的电子不是生锈，而是传递到可以收集这种电流的电极上。

Girguis及其同事想知道，如果一些微生物可以通过将电子移出细胞来产生所需的能量，那么其他人也可以通过吸收电子来做同样的事情吗？

"这个问题把我们带回了铁，"他说。"这篇论文关注的微生物是吃铁锈的微生物的镜像。他们不是使用氧化铁来呼吸，而是用游离铁制造氧化铁。

然而，获得这种免费的铁并非易事。

微生物依靠阳光来帮助产生能量，但它们所需的铁存在于地表以下的沉积物中。Girguis说，为了达到它，并且仍然停留在表面上，微生物已经发展出一种不寻常的策略。微生物似乎通过天然存在的导电矿物吸收电子。此外，当微生物将电子从铁中拉开时，它们会产生氧化铁晶体，这些晶体沉淀到周围的土壤中。随着时间的推移，这些晶体可以变得导电并充当"电路"，允许微生物氧化它们原本无法到达的矿物质。

"这样做是为了解决这种依赖阳光的生物体的悖论，"Girguis说。"这些在生物膜中生长的单细胞微生物已经提出了一种方法，可以从土壤中的矿物质中伸出电并提取电子，以便它们可以留在阳光下。

虽然他仍然对使用能够通过燃料电池进行EET发电的微生物的功效持怀疑态度，但Girguis表示，还有其他应用 - 例如制药业 - 微生物可以投入使用。

"我认为这里最大的应用机会是使用能够吸收电子的微生物来产生感兴趣的东西，"他说，"知道你可以通过电极给它们电子来做到这一点。