细菌Nano线在土壤中形成电网
连接：单个蛋白质家族的作用就像一系列电连接“插头”，用于为微生物Nano线充电。 （由埃里克·马茨提供）
由于地下深处没有太多氧气，生活在那里的细菌进化出了其他方式来摆脱它们“呼吸”时产生的电子。 其中一种解决方法是将导电丝（Nano线）发送到土壤中以去中心化电子，但生物物理学家无法理解这一过程的重要细节。
美国耶鲁大学和葡萄牙里斯本诺瓦大学的研究人员现已发现，对于地杆菌属细菌来说，单个蛋白质家族的作用就像一系列电连接“插头”，为这些微生物Nano线充电。 这一发现极大地简化了这些细菌如何输出电子的模型，研究小组表示，这种“最小布线机制”可能在细菌物种中很常见。
生活在土壤中的细菌有两种方式将它们产生的电子捐赠给外部电子受体。 第一个涉及将电子转移到土壤矿物质，称为细胞外电子转移（EET）。 第二种是直接种间电子转移（DIET），涉及伙伴物种。 这两个过程对于微生物的生存和形成群落的能力都至关重要，但它们的效率可能很低。 因此，像地杆菌这样的细菌已经进化出能够产生导电Nano线，从而促进更快、远距离的 EET。
五种蛋白质
耶鲁-诺瓦团队确定的蛋白质家族是这些Nano线运行的关键，其中包含五种蛋白质。 它们全部存在于细菌内膜和外膜之间的空间（细菌周质）中，被称为周质细胞色素 ABCDE (PpcA-E)。 这些蛋白质将电子注入细菌表面的细丝中，这些细丝充当Nano线，为“金属呼吸”地杆菌创建电连接。
耶鲁大学的 Nikhil Malvankar 与 NOVA 的 Carlos Salgueiro 共同领导了这项研究，他解释说，这种电连接使 Geobacter 能够将新陈代谢过程中产生的多余电子转移到土壤中的矿物质，而无需中介。 从本质上讲，这些蛋白质充当天然土壤“电网”中的插头。 研究人员表示，这种网格可能使多种微生物得以生存并维持生命。
微型活塞推动由细胞色素制成的细丝
尽管细菌丝在 2002 年首次被观察到，但科学家最初认为它们是由所谓的菌毛蛋白（“pili”在拉丁语中意为“毛发”）组成。 马尔万卡说，许多细菌的表面确实有菌毛，遗传数据表明这些毛发状的细丝可能在地杆菌中发挥类似的作用。 然而，2021 年，Malvankar 实验室的研究人员解决了菌毛的Atom结构，并表明它们实际上充当活塞，推动由细胞色素组成的细丝。 此外，称为 OmcS 和 OmcZ 的细胞色素的Atom结构包括携带电子的含金属血红素分子链（上图中的红色）。
他补充说，虽然这些Atom结构解释了Nano线如何传输电子，但Nano线和细菌表面之间的联系仍然是个谜。 这是因为大多数细胞表面都是不导电的。
“人们认为，嵌入细菌膜中的另一个蛋白质家族，称为孔蛋白细胞色素，负责这种连接，尽管细菌即使在没有它们的情况下也能传输电力，”马尔万卡解释道。 “将电子转移到Nano线的周质蛋白的存在消除了对任何中间电子载体的需要，并解释了细胞如何以非常快的速度（每秒一百万个电子）传输电子，尽管蛋白质中的电子可以以至少 10 倍的速度移动慢点。”
确定 PpcA-E 和 OmcS 之间的关系
研究人员首先测量 OmcS 中电子的能量。 他们发现它与 PpcA-E 中的结果相同，团队成员 Catharine Shipps 表示这令人惊讶，因为 OmcS 测量值预计会相差 0.1 V。“在首次测量 OmcS 时（2011 年），我们没有“知道 OmcS 形成了Nano线，”完成这部分工作的 Shipps 说道。 “之前的这些测量是通过将细胞色素视为非丝状来进行的，这可以解释这种巨大的差异。”
2015 年，Salgueiro 和 NOVA 的同事假设 PpcA-Es 可以将电子转移到 OmcS。 然而，由于难以获得纯化的 OmcS Nano线，测试这一假设在当时并不可行。 Malvankar 说，Shipps 的发现表明 PpcA-E 可以直接向 OmcS 提供电子，这是另一位团队成员 Vishok Srikanth 在注意到从细菌中提取时 OmcS 和 PpcA-E 保持在一起后提出的建议。 “所有这些结果使我们提出 PpcA-E 可以将电子传递到Nano线，”他说。 随后，两个小组利用核磁共振波谱证实了他们的假设。
马尔万卡告诉《物理世界》：“我们的发现通过克服单个蛋白质之间的缓慢电子流，极大地简化了细菌如何输出电子的模型。” “我们的另一位团队成员沉聪发现，这个蛋白质家族在许多物种中都具有进化性和保守性，而不仅仅是地杆菌，这意味着这种最小的接线机制可能在许多细菌中普遍存在。”
研究人员在《自然通讯》上报告了他们的工作，目前正在将新发现的机制设计到对气候重要或能够制造生物燃料的细菌中。 目的是帮助这些有益生物更快地生长。 “我们还在研究细胞色素 OmcZ 的另一根Nano线如何带电，并确定孔蛋白细胞色素在这些过程中的作用，”Malvankar 说。