一个团队发现某些细菌如何通过产生电力来呼吸，使用一种将电子推送到其周围而不是依赖氧气的自然过程。这些发现可能促进清洁能源和工业生物技术的新发展。
由莱斯大学生物科学家卡罗琳·阿约-富兰克林（Caroline Ajo-Franklin）领导的团队发现某些细菌如何通过产生电力呼吸，使用一种将电子推送到其周围而不是依赖氧气的自然过程。这项研究的发现上个月发表在《细胞》（Cell）期刊上，可能促进清洁能源和工业生物技术的新发展。
通过识别这些细菌如何将电子排放到外部，研究人员提供了细菌生命中一种以前被隐藏的策略的透视。这项将生物学与电化学相结合的工作奠定了利用这些微生物独特能力的未来技术的基础。
阿约-富兰克林说：“我们的研究不仅解决了一个长期存在的科学谜团，还指向了一种在自然界中可能广泛存在的新生存策略。”她是生物科学教授、莱斯合成生物学研究所主任和德克萨斯州癌症预防与研究所（CPRIT）学者。
电气呼吸的解释
大多数现代生物依赖氧气来代谢食物并释放能量。氧气在一系列反应中作为最终的电子受体，生成能量。但细菌，远比现代生物如人类和植物更古老，已经在缺氧环境中进化出其他呼吸方式，包括深海热泉和人类肠道。
研究人员发现，一些细菌使用被称为萘醌（naphthoquinones）的自然化合物将电子转移到外部表面。这一过程被称为细胞外呼吸，模仿了电池放电的方式，使细菌能够在没有氧气的情况下繁衍生息。
科学家们早已观察到这种不寻常的呼吸方式，并将其在生物技术中应用，虽然这仍被视为某种黑箱。现在，莱斯大学领导的团队揭示了其机制——这一突破表明细胞外呼吸在自然界中可能远比以前认为的更为普遍。
莱斯大学博士生、研究第一作者比基·巴皮·昆杜（Biki Bapi Kundu）表示：“这种新发现的呼吸机制是一种简单而巧妙的方式来完成任务。萘醌充当分子快递，将电子携带出细胞，使细菌能够分解食物并生成能量。”
模拟无空气的生命
莱斯的研究人员与加利福尼亚大学圣地亚哥分校的帕尔森实验室合作测试他们的发现。通过使用先进的计算机建模，他们模拟了缺氧但富含导电表面的环境中细菌的生长。
模拟结果揭示，细菌确实可以通过向外排放电子来维持自身生存。进一步的实验室测试确认，将细菌放在导电材料上后，细菌继续生长并产生电力，实际上是在通过表面进行呼吸。
这种跨学科的方法加深了对细菌代谢多样性的理解，并揭示了一种实时监测和影响细菌行为的方法。
在清洁技术及其他领域的应用
这一基础发现具有深远的实际意义。诸如废水处理和生物制造等生物技术过程可通过更好地管理电子失衡得到显著改善。呼出电力的细菌可以修复这些失衡，以保持系统的高效运行。
阿约-富兰克林表示：“我们的工作为通过可再生电力利用二氧化碳奠定了基础，在这个过程中，细菌在光合作用中与植物的功能类似。”她还表示：“这为构建以生物学为核心的更智能、更可持续的技术打开了大门。”
该技术还可能在缺氧环境中实现生物电子传感器，为医学诊断、污染监测和深空探索提供新工具。
这项研究的共同作者包括加利福尼亚大学圣地亚哥分校的贾扬特·克里希南（Jayanth Krishnan）、理查德·苏宾（Richard Szubin）、阿尔君·帕特尔（Arjun Patel）、伯恩哈德·帕尔森（Bernhard Palsson）和丹尼尔·齐林斯基（Daniel Zielinski）。该研究得到了CPRIT和诺和诺德基金会的资助。
