电吃微生物如何利用电子来固定二氧化碳

华盛顿大学圣路易斯分校的一项新研究解释了细胞过程，这种过程可以让喜爱太阳的微生物“吃掉”电 - 转移电子来固定二氧化碳来促进其生长。

华盛顿大学的一个团队由艺术与科学生物学助理教授Arpita Bose和实验室博士候选人Michael Guzman领导，他们展示了一种天然存在的Rhodopseudomonas palustris菌株如何从金属氧化物或铁锈等导电物质中吸收电子。这项工作在3月22日的自然通讯杂志上发表。

该研究建立在Bose之前的发现之上，即R. palustrisTIE-1可以消耗电子来自像电极一样的生锈代谢物，这一过程称为细胞外电子摄取。R. palustris是光养的，这意味着它利用光能来进行某些代谢过程。这项新研究解释了这种微生物将电子从电流中汲取的细胞汇。

“它首次清楚地表明了这种活动 - 生物体吃电的能力 - 与二氧化碳固定有关，”帕克研究员研究微生物代谢及其对生物地球化学循环的影响。

这种机械知识有助于为微生物利用可持续能量储存或其他生物能源应用的自然能力提供信息 - 这一潜力引起了能源部和国防部的注意。

“波氏疟原虫株可以在野生和异国情调的地方发现，如马萨诸塞州伍兹霍尔的一座生锈的桥梁，TIE-1从那里被分离出来，”Bose说。“真的，你可以在任何地方找到这些生物。这表明细胞外电子摄取可能非常普遍。”

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种植它才能获得光能。但另一方面，那就是这些挑战得到了满足。很多其他有机体都没有这种生物体的多功能性。“

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，当他们删除微生物固定二氧化碳的能力时，他们发现其消耗电力的能力降低了90%。

“它真的想用这个系统来修复二氧化碳，”Bose说。“如果你把它拿走 - 这种天生的能力 - 它根本就不想吸收电子。”

她说，反应在某些方面类似于可充电电池。

“微生物利用电能为其氧化还原池充电，储存电子并使其大大减少，”Bose说。“为了排出它，细胞会减少二氧化碳。所有这一切的能量都来自于阳光。整个过程不断重复，使细胞能够制造出只有电，二氧化碳和阳光的生物分子。”

全华盛顿大学的一个团队克服了许多技术障碍来完成这项研究。McKelvey工程学院的Mark Meacham帮助设计和制造了微流体装置，使研究人员能够了解细胞中从电源中提取细菌的活动。该团队还依靠包括地球和行星科学部门David Bouke在内的合作者的支持，他们帮助Bose和Guzman使用二次离子质谱法来确定微生物如何使用二氧化碳。

这项新研究回答了基础科学问题，为未来的生物能源应用提供了大量机会。

“很长一段时间，人们都知道微生物可以与环境中的电极类似物相互作用 - 也就是说，矿物质也会充电，”古兹曼说。“但是没有人真正意识到这个过程也可以通过光合自养生物来完成，例如这些类型的生物固定它们自己的碳并利用光来制造能量。这项研究填补了该领域一个知之甚少的差距。”

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。

“我们希望这种将电和光结合起来减少二氧化碳的能力可以用来帮助找到能源危机的可持续解决方案，”Bose说。

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