金属支架让细菌变身“活体电线”

它们堪称微观世界的“电缆工”。在全球的泥泞沉积物中，微小的细菌通过在淤泥中构建导电导线来进食和生长。如今，研究人员发现，这些被称为电缆细菌的微型“电工”是通过以下方式实现的：用镍和有机化合物制造微小薄片，然后将这些薄片捆绑编织成导电纤维。研究人员认为，他们发现了首个生物合成的金属有机框架实例——这类材料的开发者上月获得了诺贝尔化学奖。这些细菌导线的导电性也远优于合成有机导线，这可能为以低金属和能源投入生长柔性、生物相容性电子器件提供模板。这项研究上月作为预印本发表在bioRxiv上，尚未经过同行评审。但奥胡斯大学的电微生物学家拉尔斯·彼得·尼尔森（未参与该研究）表示，这一结果“令人印象非常深刻”。“如果属实，这是我们理解电缆细菌能力的重要一步，”他说，“这是我们多年来一直在追寻的目标。”自尼尔森团队2009年在丹麦奥胡斯港首次发现电缆细菌以来，这种微生物已在全球湖泊、河流和海洋的沉积物中被发现。它们以腐烂有机物释放的富硫化合物（如硫化氢）为食。细菌从这种有臭味的无色气体中获取电子，并最终将电子传递给仅在沉积物表层丰富的氧气。当电子从硫化氢中的高能态转变为氧气中的低能态时，微生物能从中获取部分能量差供自身使用。为了生长并获取深层沉积物中丰富的硫化氢，这些微生物必须持续完成反应，将电子传递给表层的氧气。细菌的解决方案是：分裂与合作。随着细菌繁殖，导线延伸到泥中，它们形成一个共享单一外细胞膜的超级生物体。“这在生物学中是一种独特的现象，”马萨诸塞大学阿默斯特分校的微生物学家德里克·洛夫利说。迄今为止，研究人员发现的导线最长达5厘米，由多达25000个电缆细菌合作构建，相当于一个“通气管”。每平方米沉积物中估计含有20000公里的细菌导线。研究发现，这些小工程师通过促进矿物转化、驱动营养循环和刺激离子迁移（酸化深层）来重构沉积物的化学环境。然而，十多年的研究未能确定导线的结构。如今，安特卫普大学化学工程师菲利普·梅斯曼领导的研究揭开了这一谜团。他和同事分离出细菌的单个丝状体，通过电子显微镜发现，其周边排列着数十条脊，每条脊包含仅50纳米宽的导电纤维。进一步放大观察，这些纤维中还有更小的编织“纳米带”束。接下来，团队利用X射线光谱学、X射线荧光和计算机建模的化学线索推断这些纳米带的结构。研究人员认为，电缆细菌从沉积物和水中获取微量镍，通过将金属原子与富硫有机化合物连接，形成长片状结构。这些薄片堆叠形成纳米带，纳米带再编织成束，制成类似家用电子产品中编织铜线的柔性导线。“进化对这种结构的优化令人印象深刻，”尼尔森说。此外，研究人员认为这种结构是首个生物合成的金属有机框架——一类多年来令化学家着迷的材料。这些多孔材料的空隙可定制以捕获特定分子，用于储存氢气、甲烷等气体，或吸收空气中的水蒸气、二氧化碳。化学家也已合成镍和有机化合物的导电纳米线，但梅斯曼团队报告称，细菌纳米带的导电性是现代合成版本的100倍。洛夫利表示，研究人员已在利用其他细菌导体开发人工神经元和新型化学传感器，甚至直接从湿空气中发电。“电缆细菌或许会带来更多可能。”