科學視點：能導電的細菌“尾巴”

圖片來源：Pixabay
地杆菌屬（Geobacter）的細菌看起來就像微型的芸豆長出了長長的像電線一般的尾巴。事實上這些“納米電線”真的可以導電。幾十年來，科學家一直在研究這種導電細菌，希望開發出一種可以在人體內部安全工作、抵抗腐蝕，甚至能從周圍稀薄的空氣中獲取電能的生物技術。但是想要讓這一切成為現實，他們必須首先揭示這些微小的纖維究竟是如何導電的。由此，一場激烈的辯論正在醞釀。
美國馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校（University of Massachusetts Amherst）的微生物學家德裏克·洛夫利（Derek Lovley）首先發現了地杆菌能導電的現象。他想知道這些細菌如何擺脫它們在發電過程中產生的電子。大多數微生物的“呼吸”需要將電子傳遞給鄰近的氧分子，但地杆菌能在無氧環境中茁壯成長。洛夫利最終發現，這些單細胞生物能產生長長的蛋白質鏈，將電子帶到附近的氧化鐵或其他可用的金屬氧化物分子中。隨後，帶電粒子會將金屬氧化物轉化為金屬原子。此後洛夫利又發現了其他的蛋白質納米線，但他認為，其中一種像絨毛一樣的納米線發揮了主要作用。組成這些絨毛的蛋白質被稱為菌毛，它們太小，無法用傳統的成像技術進行研究。因此，洛夫利通過移除製造菌毛的基因來證明它們的重要性。沒有了菌毛，地杆菌就無法再將金屬氧化物轉化為金屬原子。此外，他還發現從細胞中收集的菌毛確實可以導電。
研究人員已經成功開發出了利用導電微生物的技術，但洛夫利希望直接獲得導電微生物中的納米線，以此為基礎製造環保的電子產品。最近，他與其他科學家合著了2篇關於使用地杆菌納米線製作傳感器的論文。其中一篇發表於《納米研究》（Nano Research），描述了這種納米線探測氨的方法；另一篇則發表於《先進電子材料》（Advanced Electronic Materials），詳細說明了製作的傳感器能檢測濕度的變化。他的團隊在《自然》（Nature）雜誌上描述的另一種設備，可以用納米線從空氣的水分子中提取電子，從而利用濕度產生電能。“與太陽能或風能等其他可持續發電形式相比，利用濕度產生電能有一些優勢，因為它是一個每周7天、每天24小時連續進行的過程，”洛夫利解釋說，“而且它可以在地球上的任何環境中工作。”洛夫利認為納米線可以代替電池為一些設備提供動力。他說：“我們已經可以將蛋白質納米線小型電子產品（發電），比如用於醫療監測的可穿戴貼片。”他還補充道，納米線可以在活體組織中發揮作用而不會引發不良反應，生物降解的性能也比金屬更強。


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洛夫利說，有一些公司已經表示對這類應用感興趣。但是，一些科學家對於從產生納米線的細菌中分離納米線的步驟持懷疑態度。美國海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory）的生物學家莎拉·格拉文（Sarah Glaven）解釋說：“將具有電學性質的蛋白質從它所處的環境中剝離出來，這些材料就不得不與合成材料競爭導電性能。納米線將直接與其他的導電金屬競爭。”格拉文此前曾與洛夫利有過研究合作，但沒有參與他目前這部分工作，而是專注於將轉基因導電細菌應用於海洋傳感器等設備中。她指出，納米線在海洋或人體等環境中具有優勢，因為這些環境會腐蝕傳統的電子設備。但她說，即使在那種環境下，納米線還是需要與生物相容性聚合物等材料競爭。她更喜歡與活的微生物打交道，因為那樣的應用將“不僅擁有電子載體，還擁有細胞本身的整個信息處理套件。”
雖然研究人員已經在研究如何應用活的細菌細胞，或者使用從細菌中收集的納米線做導電材料，甚至已經探索了如何改造多產的細菌大腸杆菌（Escherichia coli）來產生導電菌毛，但現在仍然存在一個問題：哪種蛋白質構成的納米線導電效率最高？了解到底是菌毛還是其他種類的納米線攜帶了地杆菌的大部分電流，可以幫助科學家選擇最好的導電材料。


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“所有人，包括我們，都曾以為（這種關鍵的納米線）就是菌毛。”曾與洛夫利共事，目前在耶魯大學擁有自己實驗室的生物物理學家尼基爾·馬爾萬卡（Nikhil Malvankar）說。然而去年，馬爾萬卡和他的同事用電子顯微鏡對地杆菌做了成像分析，他們的結論是：一堆被稱為細胞色素的蛋白質構成了微生物最主要的電傳輸途徑，而不是絲狀的菌毛蛋白。研究人員通過基因改造實驗以及幾種成像方法檢測了這種細菌的生物熒光。格拉文說，為了獲得地杆菌所使用的納米線的準確圖像，他們“用盡了所有辦法”。耶魯大學的研究小組指出，超靈敏導體細胞色素OmcZ產生於地杆菌對電場的響應過程，是它的生物膜剝離電子的主要途徑。“眼見為實，所以我認為顯微鏡成像非常重要。”論文合著者、耶魯大學物理學家西貝爾·雅爾辛（Sibel Yalcin）說。
但研究人員們仍然不能就哪一種納米線最關鍵達成一致。有些人認為菌毛是最重要的導電結構，另一些認為細胞色素才是。洛夫利是菌毛陣營堅定的支持者。他說，當他的團隊（當時也包括馬爾萬卡）對地杆菌進行基因改造、使它不能產生某種類型的細胞色素時，它形成的生物膜實際上比那些未經改造的細菌的生物膜導電性更強。格拉文說，她自己的實驗室發現，電流在生物熒光地杆菌中“占絕對優勢地”通過細胞色素移動。但她同時指出，密歇根州立大學（Michigan State University）另一個實驗室的研究還是支持洛夫利的菌毛假說。
根據最近研究，馬爾萬卡更傾向於細胞色素——但他並沒有排除菌毛的作用。“我們發現的（在細菌活躍導電時）所有的細絲結構都是細胞色素，”他說，“但是有沒有可能在某些條件下，這個導電結構會是菌毛？這實際上仍然是一個懸而未決的問題。”
尋找地杆菌導電蛋白的努力可以幫助研究人員開發更有效的生活電子產品。即使還不完全了解導電微生物的奧秘，基於細菌的電子設備也可能很快出現。洛夫利說：“直接投入應用還為之過早，但到目前為止一切都很順利。我有一些了不起的同事，他們擅長研發和應用新的電子材料，每隔幾周就會想出一些新點子。”
撰文：索菲·布什威克（Sophie Bushwick）
翻譯：施懌
文章來源：環球科學


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