研究发现新型细菌长距离电子传递网络

广东省科学院微生物研究所联合丹麦、比利时及国内多个研究团队共同开展的水环境微生物长距离电子传递网络研究取得重要进展。相关研究近日在线发表于《自然—通讯》。据悉，广东省科学院微生物研究所研究员杨永刚为论文第一作者，该所研究员许玫英和奥胡斯大学副教授董明东为共同通讯作者。

自然界中的一些微生物可以通过合成纳米导线与细胞外的环境介质及其他微生物，进行长距离电子传递及种间电子传递。这些反应在环境中普遍存在，并且通常相互耦联形成长距离电子传递网络，对元素的生物地球化学循环、污染物降解转化等过程产生重要影响。但是，目前已发现的可以合成纳米导线进行长距离电子传递的细菌资源极其缺乏，且均为革兰氏阴性菌，而对于环境中广泛存在且发挥重要作用的革兰氏阳性菌是否具有这一功能一直没有答案。

研究人员发现，一株分离自电子垃圾污染河流沉积物的长线形革兰氏阳性菌Lysinibacillus varians GY32可以在采用培养液或沉积物构建的生物电化学系统中产出电能。在产电过程中，菌株GY32的细胞进一步伸长（单个细胞长度可超过1 mm），并围绕电极相互缠绕，形成厘米尺度的细胞网络。

导电测试发现，菌株GY32聚集形成的细胞网络具有良好的导电特性。通过原子力显微镜和微电极阵列的测试发现，这一导电细胞网络中的细胞是绝缘的，但细胞周身会合成长度可达十几微米的蛋白纳米线，这些蛋白纳米线具有明显的导电性，是GY32细胞网络导电的关键组分。

该研究首次发现了革兰氏阳性细菌通过纳米导线形成长距离电子传递网络，为全面认识自然环境中的微生物长距离电子传递网络提供了重要补充。此外，菌株GY32这种单个细胞长度超过1 mm、且包含多个核区的细胞形态也拓展了人们对细菌形态和分裂机制的认识。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21709-z

细菌之间会互相交流吗？

随着越来越多的菌株对我们武器库里的抗生素产生抗药性，人们已经是“谈菌色变”了。去年，一名美国妇女死于一种超级病菌，这种超级病菌已经对人类所有可用的抗生素都产生了抗药性。我们所说的细菌是一些看似简单的单细胞生物体，但科学家持续在这些细菌的身上发现了更多令人害怕的事实：比如说它们会发送电子信号召集同伴来加入它们的阵营。只要细菌在一个表层上粘成一团，细胞中就会形成一层滑滑的薄层——生物膜，这就是关于生物膜的近期研究的总结。通过这个黏滑的薄层，我们更加了解微观生物群体的生活方式。生物膜是无处不在的，在牙菌斑和牙齿内侧的根部就能找到生物膜。研究人员一直格外关注生物膜，这是因为生物膜并不是指一个细菌菌株的生长，而是指很多细菌种类聚集起来，从而形成了这些粘性的粘附膜。要用化学药品和抗生素去对付这些生物膜是非常困难的。据估计，人体内80%的细菌感染都是由生物膜引起的；所以，如果我们能够查清楚这些生物膜是怎么形成的，以及如何打破和分解这些生物膜，我们将会迎来医学领域的一个巨大胜利。目前，来自加利福尼亚的一支科学家团队表示，真相是细菌通过对外发送电子信号召集新的同伙去形成生物膜，而它们召集的同伙是不同种类的外部细菌。 “通过这种方式，尽管有些细胞距离细菌很远，而且也不属于它们的阵营，生物膜内的细菌还是可以对人体细胞的行为进行大范围和动态的控制，”研究带头人Gürol Süel解释说。不过，现在我们知道了细菌是怎样运作的，这是一个好消息。有了这一发现，我们在对于生物膜的处理和进一步理解细菌最初沟通和团体合作的方式等方面都有了新的选择。之前，这个团队已研究发现细菌能够像神经元那样通过电子信号进行沟通；基于此研究，该团队开展了新的研究。名为“离子通道”的小气孔使得带电的分子能够出入细胞。在这种情况下，钾离子能够在整片生物膜上引起阵阵波纹——就像是企业内部的邮件列表中的一个信息。当团体中心的细胞的营养成分不足时，它们会发送带电的脉冲，促使边缘的细菌减缓生长、减少食物的消耗。来自圣地亚哥的最新研究表明，这些“离子通道”也会使细菌和远距离、不同类别的细菌进行交流，尽管那些细菌在它们的生物膜团体范围之外。因为一旦钾离子到达生物膜的边界，钾离子会继续向外传播。当研究人员用荧光染料追踪细菌细胞时，他们注意到其他细菌细胞轮流地接收钾离子并游向信息的源头，似乎是召集城外的小伙伴去加强生物膜团体。 “令人震惊的是，钾离子正是所有细胞的传播媒介，”团队作者杰奎琳·汉弗莱斯（Jacqueline Humphries）在《大西洋月刊》（The Atlantic）上告知Ed Yong这一原理，“钾离子使得不同种类的细菌跨越进化的划分、形成并存的团体。”另外，科学家说他们的研究能够解开人体肠道内微生物组织运作的隐藏秘密，该研究也能解释细菌是如何根据电子信号进行自我调节的。细菌和人体肠道细胞甚至能够共同合作呢！“这是一个神奇的研究，它能够重新塑造我们对细菌相互交流和生物膜形成的想法，”来自威斯康星大学的海伦·布莱克威尔（Helen Blackwell）对《大西洋月刊》（The Atlantic）说，她并未参与到此项研究中。“这个研究向我们展示了不同种类的细菌应用了一个简单而普遍的方式进行交流——就是通过电子信号进行交流。”

科学家在海底新发现一种奇怪的细菌，究竟是什么细菌呢？

人类一直在寻找外星生命的踪迹，以满足我们的好奇心，顺便也能回答“人类在宇宙中是否是孤独的”这个千年谜题。但是，到目前为止，我们一无所获。虽然，我们探索宇宙的技术蓬勃发展，例如我们拍到了史上第一张黑洞照片，也观察到了引力波的存在，但是到目前为止，人类连离地球最近的火星都还没登上去。

因此，我们不知道外星生命究竟是怎样的，我们只能以自身为模板去寻找外星生命。我们也只能以自己生存的环境去推测外星环境是否适合生命存在。于是，研究清楚自己所住的地球环境就变得非常重要了。一旦我们在地球上有所发现，可能就能指引我们寻找外星生命的方向。

于是，科学家把目光放在了海底的极端环境，希望在那里能找到一种奇特的微生物存在。果然，天无绝人之路，科学家最终在海底发现一种新型细菌，这种细菌与地球上的任何细菌都不同，因为它有两种代谢方式。科学家感叹道：“不该来的还是发现了，这意味着对外星生命的探索又更进一步了。”

我们知道细菌有两种基本形式：一种是使用氢，另一种是不使用氢。然而，这种新发现的细菌似乎能同时发挥两种作用，使它在海底极端的环境下生存。它属于木醋杆菌，似乎是小型世界的超级英雄。

我们知道很多厌氧菌，它们是不用氧气进行代谢的，比如在泡菜里面的细菌。它们会吃掉食物中的糖，并将其转化为其它美味的东西，在这个过程中，它产生的副产品是氢气。但是对于这些细菌来说，氢气只是无用的废气，如果浓度过高，将会破坏其代谢并导致它们死亡。

值得庆幸的是，在许多栖息地中，这种细菌会和其它喜欢氢气的细菌共生。这种喜欢氢气的细菌会将氢气与二氧化碳结合使用，产生供自己使用的能量。这样下来，两种细菌都能很好地存活。

但是，对于新发现的木醋杆菌，它自己就能完成这两种代谢方式。具体使用哪种代谢方式取决于环境中的氢。当环境中氢浓度太高时，就使用后一种代谢方式，当环境中无氢时，就使用前一种代谢方式。

这种细菌的代谢方式比我们所想象的更灵活，很显然，在没有氧气的外星世界中也有可能存在类似的细菌，它开辟了外星生命的更多可能性。对此，科学家表示，他们也将会以新发现的细菌为模板，来搜寻火星上可能存在生命的地方。对地球研究得越深入，我们想知道的答案也就越来越近。希望科学家早日解决这个难题。