位于圣路易斯的华盛顿大学的一项新研究解释了细胞过程，这种细胞过程使喜爱阳光的微生物能够“吃”电——通过转移电子来固定二氧化碳以促进其生长。
在艺术与科学生物学助理教授Arpita Bose和她实验室的博士生Michael Guzman的带领下，华盛顿大学的一个研究小组展示了一种自然产生的palustris红单胞菌是如何从金属氧化物或铁锈等导电物质中吸收电子的。这项研究发表在3月22日的《自然通讯》杂志上。
这项研究建立在Bose之前的发现的基础上，即R. palustris TIE-1可以消耗来自锈体代理的电子，比如平衡电极，这个过程被称为细胞外电子摄取。palustris是光营养的，这意味着它利用光的能量进行某些代谢过程。这项新研究解释了这种微生物将其从电中摄取的电子倾倒在细胞的凹陷处。
帕克德大学研究微生物代谢及其对生物地球化学循环影响的研究员博斯说:“这首次清楚地表明，这种活动——生物体吃电的能力——与二氧化碳固定有关。”
这种机械学知识可以帮助利用微生物的自然能力进行可持续能源储存或其他生物能源应用——这一潜力已经引起了美国能源部和国防部的注意。
博斯说:“在野生和异国情调的地方都能找到这种病的菌株，比如马萨诸塞州伍兹霍尔的一座锈迹斑斑的桥，TIE-1就是从这座桥上分离出来的。”“真的，你到处都能找到这些生物。这表明细胞外电子吸收可能非常普遍。”
古兹曼补充说:“主要的挑战是，它是一种厌氧菌，所以你需要在没有氧气的环境中生长，这样它才能获得光能。但另一方面，这些挑战在这种生物体中得到了许多其他生物体所没有的多功能性的满足。”
在他们的新论文中，研究人员表明，来自电的电子进入膜中的蛋白质，这对光合作用很重要。令人惊讶的是，当他们删除了这种微生物固定二氧化碳的能力后，他们发现这种微生物消耗电能的能力下降了90%。
“它真的想用这个系统来固定二氧化碳，”博斯说。“如果你把它拿走——这种与生俱来的能力——它根本就不想占据电子。”
她说，这种反应在某些方面类似于可充电电池。
博斯说:“这种微生物利用电力为其氧化还原池充电，储存电子，使其高度还原。”“为了释放它，细胞减少了二氧化碳。所有这些的能量都来自阳光。整个过程不断重复，让细胞只用电、二氧化碳和阳光就能制造出生物分子。”
一个全华盛顿大学的团队克服了许多技术障碍完成了这项研究。来自麦凯维工程学院的马克·米查姆帮助设计和制造了微流体设备，使研究人员能够专注于细胞内的活动，这些活动是由来自电源的细菌产生的。该团队还依赖于包括地球和行星科学系的大卫·菲克在内的合作者的支持，他们帮助玻色和古兹曼使用次级离子质谱来确定微生物如何利用二氧化碳。
这项新研究回答了基础科学问题，并为未来的生物能源应用提供了大量的机会。
古兹曼说:“很长一段时间以来，人们已经知道微生物可以与环境中类似电极的物质相互作用，也就是说，矿物质也是带电的。”“但是没有人真正理解光自养生物是如何完成这一过程的，比如这些能够固定自身碳并利用光产生能量的生物。”这项研究填补了该领域一个人们知之甚少的空白。”
Bose的实验室正致力于利用这些微生物制造生物塑料和生物燃料。
博斯说:“我们希望，将电力和照明结合起来减少二氧化碳排放的能力，可能有助于为能源危机找到可持续的解决方案。”
——文章发布于2019年3月23日
