萊斯大學生物科學家卡羅琳·阿喬-富蘭克林領導的研究小組發現了某些細菌如何通過發電進行呼吸，這種細菌利用一種自然過程將電子推向周圍環境，而不是呼吸氧氣。這項發表在《細胞》雜誌上的研究成果有望推動清潔能源和工業生物技術的新發展。通過識別這些細菌如何向外釋放電子，研究人員得以一窺細菌生命中此前隱藏的一種策略。這項融合生物學與電化學的研究，為未來利用這些微生物獨特能力的技術奠定了基礎。
「我們的研究不僅解決了一個長期存在的科學謎團，而且還指出了自然界中一種新的、可能廣泛存在的生存策略，」生物科學教授、水稻合成生物學研究所所長、德克薩斯州癌症預防和研究機構(CPRIT)學者阿喬-富蘭克林說。
大多數現代生物依靠氧氣來代謝食物並釋放能量。氧氣是產生能量的一系列反應中的最終電子受體。但比人類和植物等現代生物古老得多的細菌，已經進化出了在缺氧環境中呼吸的其他方式，包括深海熱液噴口和人類腸道。
研究人員發現，一些細菌利用一種名為萘醌的天然化合物將電子轉移到細胞外表面。這一過程被稱為細胞外呼吸，模擬了電池放電的過程，使細菌能夠在沒有氧氣的情況下茁壯成長。
卡羅琳·阿喬-富蘭克林和比基·巴皮·昆杜等研究人員發現了某些細菌如何通過發電進行呼吸。圖片來源：傑夫·菲特洛/萊斯大學
科學家們長期以來一直觀察着這種不尋常的呼吸模式，並將其作為一種黑匣子應用於生物技術。如今，賴斯大學領導的研究小組揭示了其機制——這一突破表明，細胞外呼吸在自然界中可能比之前認為的更為普遍。
「這種新發現的呼吸機制是一種簡單而巧妙的完成工作的方式，」萊斯大學博士生、該研究的第一作者比基·巴皮·昆杜(Biki Bapi Kundu)說。「萘醌就像分子信使，將電子帶出細胞，這樣細菌就可以分解食物並產生能量。」
賴斯大學的研究人員與加州大學聖地亞哥分校的帕爾森實驗室合作，驗證了他們的研究成果。他們利用先進的計算機模型，模擬了細菌在缺氧但富含導電錶面的環境中生長的情況。
模擬結果表明，細菌確實可以通過向外釋放電子來維持自身生存。進一步的實驗室測試證實，放置在導電材料上的細菌能夠持續生長並產生電流，從而有效地通過表面進行呼吸。
這種跨學科方法加深了對細菌代謝多功能性的理解，並揭示了一種實時電子監測和影響細菌行為的方法。
這一基礎性發現具有深遠的實際意義。通過更好地管理電子失衡，廢水處理和生物製造等生物技術過程可以得到顯著改善。釋放電流的細菌可以修復這些失衡，從而保持系統高效運行。
「我們的研究為利用可再生電力來利用二氧化碳奠定了基礎，細菌在光合作用中的作用類似於利用陽光的植物，」阿喬-富蘭克林說。「這為構建以生物學為核心的更智能、更可持續的技術打開了大門。」
該技術還可以在缺氧環境中實現生物電子傳感器，為醫療診斷、污染監測和深空探索提供新工具。
