Long-distance electron transfer in a filamentous Gram-positive bacterium  

絲狀革蘭氏陽性菌中的長距離電子傳遞  

來源：Nature Communications, volume 12, Article number: 1709 (2021)

《自然-通訊》，第12卷，文章編號1709（2021年）

 

摘要內(nèi)容  

本文首次報道了一種絲狀革蘭氏陽性菌（Lysinibacillus varians GY32）具備雙向胞外電子傳遞（EET）能力。該菌株可在微生物燃料電池（MFC）中形成厘米級導(dǎo)電細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，細(xì)胞長度可達(dá)1.08毫米。通過原子力顯微鏡（AFM）和微電極分析，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)電性與類似菌毛的蛋白質(zhì)附屬物相關(guān)。結(jié)果表明長距離電子傳遞（LDET）不僅限于革蘭氏陰性菌。  

 

研究目的  

探究革蘭氏陽性菌是否具備長距離電子傳遞能力，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)認(rèn)為其厚細(xì)胞壁阻礙電子傳遞的認(rèn)知，并揭示其導(dǎo)電機(jī)制。  

 

研究思路  

1. 模型構(gòu)建：以革蘭氏陽性菌L. varians GY32為對象，在沉積物和液體環(huán)境MFC中測試其EET能力。  

2. 結(jié)構(gòu)表征：通過TEM和AFM觀察細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)及附屬物（圖1）。  

 

3. 電化學(xué)驗證：  

   ? 沉積物MFC（SMFC）測量電流密度（圖2b）  

 

   ? 液體MFC測試雙向EET（陽極產(chǎn)電/陰極還原）（圖2d,e）  

 

   ? 電化學(xué)門控測量生物膜導(dǎo)電性  

 

4. 導(dǎo)電性機(jī)制：  

   ? 微電極陣列測量細(xì)胞簇和附屬物導(dǎo)電性（圖3c,d；圖4f）  

 

 

   ? 開爾文探針力顯微鏡（KPFM）分析表面電位（圖3f,g）  

 

5. 分子基礎(chǔ)：基因組和轉(zhuǎn)錄組分析潛在導(dǎo)電蛋白（如假定的IV型菌毛蛋白ComGD和c型細(xì)胞色素）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義  

1. 細(xì)胞長度（圖1a）  

   ? 數(shù)據(jù)：在MFC中細(xì)胞長達(dá)1.08 mm（超越已知單細(xì)胞細(xì)菌記錄）  

 

   ? 意義：證明其可通過延長形態(tài)適應(yīng)電子傳遞需求，提高表面積/體積比以促進(jìn)物質(zhì)交換。  

 

2. 電化學(xué)性能（圖2）  

   ? 數(shù)據(jù)：  

 

     ? SMFC電流密度提升75.2%（2.8 vs 1.6 μA/cm2）  

 

     ? 液體MFC最大電流密度11.7 μA/cm2（圖2d）  

 

     ? 陰極驅(qū)動Fe(III)還原速率8.9 μM/h（圖2e）  

 

   ? 意義：首次證實革蘭氏陽性菌具備雙向EET能力，拓寬了對微生物電化學(xué)的認(rèn)知。  

 

3. 導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)特性（圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：  

 

     ? 細(xì)胞簇電導(dǎo)率0.1 mS/cm（圖3c,d）  

 

     ? KPFM顯示附屬物與金基底電位差僅5mV（圖3g）  

 

   ? 意義：揭示厘米級導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)依賴蛋白質(zhì)附屬物而非細(xì)胞包膜。  

 

4. 附屬物導(dǎo)電性（圖4f）  

   ? 數(shù)據(jù)：附屬物電流24.8 pA（緩沖液僅2.0 pA）  

 

   ? 意義：明確附屬物是導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的核心組件，類似革蘭氏陰性菌的導(dǎo)電菌毛。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)意義  

丹麥Unisense微電極用于高精度原位測量：  

1. 溶解氧監(jiān)測（圖2c,d）  

   ? 數(shù)據(jù)：維持<0.3 μM（檢測限0.3 μM）  

 

   ? 意義：嚴(yán)格厭氧條件驗證，排除氧氣干擾，確認(rèn)GY32的厭氧呼吸能力。  

 

2. 氫氣濃度檢測（圖2f）  

   ? 數(shù)據(jù)：陰極表面H?濃度<0.1 μM  

 

   ? 意義：排除H?中介的電子傳遞機(jī)制，直接證明GY32通過接觸陰極獲取電子還原Fe(III)。  

 

3. 電化學(xué)門控  

   ? 數(shù)據(jù)：生物膜電導(dǎo)率峰值0.25 mS/cm（0.05 V vs. SHE）  

 

   ? 意義：結(jié)合電位門控響應(yīng)，證實LDET為氧化還原驅(qū)動的生化過程（非歐姆傳導(dǎo)）。  

 

結(jié)論  

1. 突破傳統(tǒng)認(rèn)知：首次證明革蘭氏陽性菌可進(jìn)行厘米級LDET，顛覆"厚細(xì)胞壁阻礙電子傳遞"的觀點。  

2. 新導(dǎo)電模式：提出第三種LDET機(jī)制——單細(xì)胞絲狀菌通過導(dǎo)電蛋白質(zhì)附屬物形成網(wǎng)絡(luò)（圖5），區(qū)別于革蘭氏陰性菌的菌毛（如Geobacter）或多細(xì)胞電纜菌的包膜傳導(dǎo)。  

 

3. 雙向EET能力：GY32可作為電子供體（陽極產(chǎn)電）或受體（陰極還原金屬/氧氣），擴(kuò)展其在自然和工程環(huán)境中的生態(tài)角色。  

4. 環(huán)境意義：為土壤/沉積物中金屬循環(huán)、生物地球化學(xué)過程及生物能源應(yīng)用提供新機(jī)制解釋。