在海底深处，微小的细菌通过细长的呼吸管“呼出”电流，现在，科学家们已经发现了如何打开和关闭这些微生物的电呼吸。
研究人员在周三（9 月 1 日）发表在《自然》杂志上的一项新研究中报告说，这些奇异的细菌依赖于两种蛋白质，它们以一种称为菌毛的毛发状结构结合在一起。许多这些菌毛位于细菌膜下方，有助于将通气管推出细胞并进入周围环境，从而使微生物能够呼吸。
耶鲁大学分子生物物理学和生物化学助理教授、资深作者 Nikhil Malvankar 说，这一发现不仅揭示了细菌生物学的一些意想不到的东西，而且还可以为新技术铺平道路，从强大的微生物动力电池到细菌感染的新医学治疗。大学微生物科学研究所告诉Live Science。
这种细菌属于属地杆菌和都可以在世界各地发现，在那些完全没有土壤深层地下增长的氧气。人类依靠氧气将食物转化为可用能量并吸收代谢过程中留下的电子。Malvankar 说，如果剩余的电子积累起来，它们很快就会对身体产生毒性。
就像人类一样，地杆菌微生物在新陈代谢过程中会产生废电子，但它们无法像我们一样获得氧气。所以，摆脱其多余电子，细菌涂层本身在薄的，导电丝，称为纳米线，其可以穿梭电子从微生物的和环境中的其它细菌或矿物质，如铁氧化物。
Live Science 先前报道，这些细纳米线比人类头发的宽度小 100,000 倍，可以远距离传输电子，是原始微生物体长的数百到数千倍。
“我无法呼吸距离我 100 米（328 英尺）的氧气，”马尔万卡说。“不知何故，这些细菌正在使用这些纳米线，就像它们大小 100 倍的呼吸管一样，这样它们就可以在如此长的距离内保持呼吸。” 这一令人印象深刻的壮举产生了电流，因为电子不断地流过长长的纳米线。
但是，尽管科学家在 2000 年代初期发现了这些纳米线，但 Malvankar 和他的同事直到最近才发现细胞通气管的实际构成。最初，科学家们假设纳米线是菌毛。Malvankar 说，这一观点似乎得到了以下事实的支持：如果从地杆菌属细菌中删除构建菌毛所需的基因，纳米线将不再出现在它们的表面上。
但是有一个问题：菌毛蛋白不包含任何金属，如铁，可以导电。Malvankar 和他的团队在 2019 年发表在Cell杂志上的一项研究中研究了这个难题，在此期间他们使用冷冻电子显微镜(cryo-EM)检查了地杆菌细菌，该技术涉及将电子束照射到物质中以获取其组成分子的快照。
“那时我们才意识到细菌表面根本没有菌毛，”马尔万卡说。“这是一个很大的惊喜。” 相反，该团队发现纳米线是由称为细胞色素的蛋白质制成的，它们很容易将电子向下转移，因此制造出比菌毛更好的纳米线。在 2020 年发表在《自然化学生物学》杂志上的一项研究中，该团队报告说，这些基于细胞色素的纳米线有多种“味道”，它们以不同的效率水平导电。
但即使在团队揭示了纳米线的化学组成之后，菌毛蛋白仍然出现在他们对地杆菌细菌的生化评估中。如果菌毛不导电，“真正的大问题是，你知道，这些菌毛到底有什么作用？它们在哪里？” 马尔万卡说。
在他们最新的自然研究中，该团队首先删除了实验室生长的硫还原地杆菌中纳米线的基因，从而更仔细地研究了这些菌毛的结构。菌毛通常会被纳米线挡住，所以如果没有这些结构，头发状的突起就会从细胞表面长出来。这让该团队有机会用冷冻电镜检查菌毛，这揭示了每根头发中两种不同的蛋白质——PilA-N 和 PilA-C。
Malvankar 说，该团队还进行了测试，以了解菌毛的导电情况，并发现“它们移动电子的速度比 OmcZ 慢 20,000 倍”，OmcZ 是一种细胞色素蛋白，可形成导电性最高的地杆菌纳米线。“它们并不是真正用来移动电子的。”
也就是说，该团队注意到，菌毛看起来可能具有不同的功能。在其他细菌物种中，一些菌毛位于细胞膜下方并像小活塞一样移动；这种运动让它们推动蛋白质穿过细胞膜，向上并排出细胞。例如，细菌霍乱弧菌，这会导致腹泻疾病霍乱，使用这种菌毛分泌霍乱毒素，根据在杂志2010年的报告自然结构与分子生物学杂志。在一系列实验中，该团队确定地杆菌中的菌毛起到了类似的作用，因为它们有助于推动纳米线穿过微生物膜。
“我们发现，当活塞蛋白不存在时，细胞色素会卡在细菌内部，”马尔万卡说。“当我们将基因放回原处时，细胞色素就能够脱离细菌。” 研究小组得出结论，这就是细菌的开关。
展望未来，研究人员计划调查有多少其他类型的细菌会构建纳米线并用它们来呼吸电流。他们也有兴趣探索研究的实际应用。
据 Live Science 先前报道，研究人员使用地杆菌菌落为小型电子设备供电已有十多年，但到目前为止，这些细菌电池只能产生微量的电力。在过去的研究中，Malvankar 和他的团队发现，在电场的影响下，菌落的导电性可以提高，这有助于提高这些设备的功率；现在，这项新研究可以让科学家们打开或关闭电源，从而为他们提供另一种控制。
Malvankar 说，这项研究还可以应用于医学，尤其是治疗细菌感染。例如，沙门氏菌设法使肠道中的有益细菌生长得更快，因为它可以从不需要氧气的缓慢产生能量的发酵转变为快速产生能量并且通常需要氧气的呼吸，Live Science 先前报道。在肠道的低氧环境中，沙门氏菌使用一种称为连四硫酸盐的化合物作为氧气的替代品，从而战胜体内的有益细菌。
但是，如果这些有益的细菌能够站稳脚跟呢？Malvankar 说，从理论上讲，如果你给细菌配备了纳米线并将它们引入肠道，作为一种益生菌治疗，它们有可能战胜沙门氏菌等有害病原体。Malvankar 和他的同事正在研究这种潜在的治疗过程，但这项工作仍处于早期阶段。
