The Scientist｜电细菌与电微生物学：走出黑暗，走向光明

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前言

曾经不起眼的泥浆微生物激发了新一代活电子产品的灵感，这就是电微生物学（electromicrobiology）的领域。

尽管人类和地球上几乎所有其他动物都需要氧气才能生存，但许多种类的细菌却变得更有创造力。有些细菌不使用氧气作为细胞呼吸的最终电子受体，而是使用铁或锰，有效地“呼吸”金属。从奥奈达湖和波托马克河沉积物中最初发现希瓦氏菌和金属还原地杆菌开始，这些“电细菌”已成为微生物燃料电池和用于生产燃料和其他生化产品的微生物电合成的组成部分。

美国南加州大学 (USC) 的生物物理学家墨·埃尔-纳加尔（Moh El-Naggar）近二十年来一直对这些生物着迷。经过多年对这些细菌和生物膜中电子转移动力学的研究，埃尔-纳加尔正在探索这些生物体如何利用进化发展的专业知识来创建混合电子产品，从而在生命和非生命世界之间提供交互界面。在本文中，作者与埃尔-纳加尔进行了如下问答：

问：您是如何进入电微生物学领域的？

作为加州理工学院的研究生，我接受的培训是应用物理和材料科学。2006 年，当我完成研究生学习时，我对进入生物物理学领域很感兴趣。我脑子里有一个想法，最好的选择不是加入一个从事生物学研究的物理实验室，而是加入一个生物学实验室——投入其中，看看它是如何运作的。

这意味着我正在寻找我完全没有资格填补的博士后职位空缺。我以前从未在盘子上划线来培养细菌。在那段日子里，我联系了一群人，有一天，我给肯·尼尔森（Ken Nealson）打电话，他是南加州大学一位非常杰出的微生物学家。后来我才知道，他是第一个分离出沙雷氏菌（又译希瓦氏菌）的科学家，这种微生物成为研究这种新微生物（我们现在通俗地称为电细菌）的模式生物。

我对尼尔森说：“我听说你正在用细菌和电子做所有这些有趣的项目。我可能了解一些有关电子传递的知识，但我从未在细菌中工作过。” 他没有拒绝我，而是问我那天下午是否可以开车去南加州大学。一切都是从那里开始的。所以，我进入这个领域基本上是对一位非常杰出的微生物学家的一次冷遇，他决定给我发一张传单。

问：尼尔森和其他研究人员在 20 世纪 80 年代发现的电细菌如何改变了科学家对细胞呼吸的理解？

20世纪80年代末之前，人们知道存在不需要氧气就能生存的厌氧细菌。但普遍的观点是，无论细菌使用什么分子代替氧气，仍然必须是可溶的；它仍然必须进入细胞内部才能用于呼吸。肯和马萨诸塞大学阿默斯特分校的另一位真正杰出的微生物学家德里克·洛夫利（Derek Lovley）各自独立发现了功能不同的厌氧微生物。细菌不是等待电子接受分子进入细胞，而是将电子传输到细胞外的固体表面。

为什么会进化出这种呼吸策略？在自然界中，有许多铁和锰矿物具有氧化还原活性，这意味着我们可以向它们提供电子。只是这些矿物质无法进入细胞内部，因此细菌不得不将其电子传输链延伸到周围的非生物世界。

图电缆细菌（一种能够进行长距离电子传输的多细胞细菌）

问：细菌如何输出这些电子？

一段时间以来，我们已经了解到电子可以通过电子隧道在细胞中移动：在一个分子和另一个分子之间移动非常小的距离，可能是几纳米。事实证明，我们一直在研究的许多生物体都构建了这些称为多血红素细胞色素的分子，它们本质上是具有铁中心的蛋白质。利用这种隧道过程，电子可以从一个铁跳到下一个铁。

我们对该领域的主要贡献之一是证明这个过程并不局限于跨越几个纳米的单步跳跃；这些以铁为中心的蛋白质的长链可以彼此相连。通过这种方式，电子不仅可以移动几纳米，还可以移动很多微米。事实上，它可以行驶更远的距离。电子可以以相同的方式穿过多细胞群落，在细菌生物膜中从一个细胞移动到另一个细胞。

问：这项研究如何从基础科学转向探索潜在应用？

这是一个很酷的科学故事，因为它朝着意想不到的方向发展。一开始，研究人员对此感到兴奋，因为这是一种新的呼吸方式，他们想研究基础生理学。然后研究人员最终意识到，如果细菌可以将电子发送到细胞外的表面，我们也许可以用它们来制造生物电池。我们可以给他们一个看起来像电池或燃料电池端子的电极，而不是给他们矿物质吗？答案是肯定的。之后，他们开始想知道电子是否总是必须从细胞内部到外部，或者这是否可以逆转。我们可以不通过细菌发电，而是将电力注入细胞并让它们进行有趣的化学反应，例如还原二氧化碳来制造燃料吗？

我们总是喜欢认为自己很聪明——如果有人发现了一些东西，我们会立即知道它会导致什么。事实证明，绝大多数时候，这并不是它的工作方式。我们只是发现了一些东西，然后世界上就有足够多的聪明人将其带向意想不到的方向。这是基础研究的最大论据之一。

问：您认为这个领域未来会走向何方？

在过去的几年里，我一直在思考一类我称之为“活电子产品”的设备。这个想法是这样的：传统电子学非常好，但有些事情生物学更擅长。例如，生物的能量非常低；运行整个细菌的功率预算是我们无法超越的。运行整个人类所需的电力比老式白炽灯泡要少。即使功率预算非常低，生物也非常擅长信息处理和决策。细胞也非常擅长感知。他们只能检测到某些东西的几个分子。

现在，我们能否利用生物学非常擅长的这些东西，并将其与我们知道如何操纵和处理的传统电子学结合起来？将这两部分结合在一起的关键是让有机体能够通过电子与它们进行交流——而这正是这些微生物自然进化的目的。我们知道细菌可以用作生物传感器，但是如果我不只是想让细菌在看到我想要检测的分子时表达一些绿色荧光蛋白怎么办？相反，我希望它直接向传统电子设备发送电脉冲。同样，我们可以用它来进行计算吗？我可以利用细胞如何做出决策并通过电脉冲提供输入和输出的机制吗？

我们一直在研究这些错误的工作原理，并且我们一直在学习如何以类似于传统电子产品的方式在表面上操纵它们。传统电子产品使用光刻技术以精确的方式对电子产品进行图案化，事实证明，我们可以利用合成生物学以类似的方式利用光对细胞进行图案化。

利用光遗传学，我们可以创造出能够增加或减少响应光的电子传递分子表达的细菌。这与传统电子产品中的半导体掺杂类似；它增加或减少电子转移。这可以让我们开始构建这些细胞外看起来像晶体管的东西。我们想通过利用某些细菌数十亿年来已经知道如何做的事情来尝试将活细胞与传统电子设备耦合的概念。

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原文：Hannah Thomasy. Electric Bacteria: Out of the Darkness and into the Light. The Scientist. Feb 29, 2024.

https://www.the-scientist.com/electric-bacteria-out-of-the-darkness-and-into-the-light-71683

*中文翻译仅供参考，一切内容以英文原文为准。如涉及版权问题，请联系我们删除。

▼参考文献

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编译 | 李升伟

编辑 | 刘帅

来源 | The Scientist

审核 | 医工学人

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