细菌的双重生命 靠铁和纯电力生活

RIKEN可持续资源科学中心和东京大学的研究人员已经证明，当铁 - 其已知的能量来源 - 不存在时，细菌Acidithiobacillus ferrooxidans可以直接从电极电源获取生长所需的电子。这项发表在微生物学前沿的研究表明，A。ferrooxidans可以直接吸收电极中的电子来为相同的代谢途径提供燃料，这种途径是由可扩散的铁离子氧化而激活的。

就像具有叶绿素的植物利用光合作用将能量从光转化为生长所需的糖一样，其他类似生物的动物 - 通过从周围环境中的物质中获取电子来获得制造糖的能量 - 这一过程称为化学合成。以这种方式获得能量的生物称为化学营养生物，那些通过氧化无机物质获得电子的生物被称为化学自养生物。光养生物和化学营养物构成了两个相互关联的生态系统。

“我们正在研究第三种生态系统的可能性，”小组负责人Ryuhei Nakamura解释道。“我们称之为电子生态系统，因为微生物活动主要靠直流电流来维持。”

最近，他的团队发现了由水力喷射通风口形成的黑烟囱烟囱壁上的地电流，这表明一些深海微生物可能会成为电子自养生物的两倍，这些生物体可以利用电势 - 这意味着他们只是吃电子 - 作为能源而不是光或周围的无机物质。

因为在这种环境中获取微生物并不容易，并且为了验证能够将能源从无机物质转换为电能的假设在微生物世界中并不是独一无二的，研究小组试验了一种已知氧化的化学自养细菌A.ferrooxidans。铁离子(Fe2 +)。

该团队在无Fe2 +环境中培养了A.ferrooxidans，并提供了电极电压为+0.4 V，二氧化碳作为碳源，氧气作为电子受体的电极。他们发现这些条件产生的电流来自电极，电流强度取决于电极上连接了多少细胞。用紫外光杀死细胞会立即抑制电流。

为了确定这种电流是如何产生的，他们使用了人工光化学反应。通常，一氧化碳附着在A.ferrooxidans外膜中的血红素蛋白上并防止氧化。但是，当暴露在光线下时，这种键断裂，氧化作用继续照常进行。在测试时，一氧化碳还可以防止电极和A.氧化亚铁硫杆菌细胞之间形成的电流和暴露在光线下使该块逆转并使电流流动。这表明A.ferrooxidans所显示的电合成需要血红素蛋白。

进一步的分析表明，负责的血红素蛋白是aa3复合物，已知它在产生ATP的A.ferrooxidans的下山电子转移中发挥作用，并且质子动力允许上坡电子转移和碳固定 - 这些标志糖生产。作为上坡转移过程的一部分的蛋白质复合物的抑制抑制了电流，表明产生的质子 - 动力确实用于上山电子传输。另外，用电极培养8天的细胞的光密度随时间增加，表明生长，并且从电极流向细胞的电子产生的电流用于碳固定。

“现在我们已经确定了氧化亚铁硫杆菌中电解自养生物的代谢途径，我们将能够将这些知识应用于我们在深海通风口中发现的细菌，”Nakamura说。“下一步是在现场深海实验中证明电生态系统的存在。”了解电生态系统以及电流如何支持生命可以利用燃料电池，电池和热电转换器等技术为可持续的人类生态系统制定蓝图。