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地杆菌属（Geobacter）的细菌看起来就像微型的芸豆长出了长长的像电线一般的尾巴。事实上这些“纳米电线”真的可以导电。几十年来，科学家一直在研究这种导电细菌，希望开发出一种可以在人体内部安全工作、抵抗腐蚀，甚至能从周围稀薄的空气中获取电能的生物技术。但是想要让这一切成为现实，他们必须首先揭示这些微小的纤维究竟是如何导电的。由此，一场激烈的辩论正在酝酿。
美国马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校（University of Massachusetts Amherst）的微生物学家德里克·洛夫利（Derek Lovley）首先发现了地杆菌能导电的现象。他想知道这些细菌如何摆脱它们在发电过程中产生的电子。大多数微生物的“呼吸”需要将电子传递给邻近的氧分子，但地杆菌能在无氧环境中茁壮成长。洛夫利最终发现，这些单细胞生物能产生长长的蛋白质链，将电子带到附近的氧化铁或其他可用的金属氧化物分子中。随后，带电粒子会将金属氧化物转化为金属原子。此后洛夫利又发现了其他的蛋白质纳米线，但他认为，其中一种像绒毛一样的纳米线发挥了主要作用。组成这些绒毛的蛋白质被称为菌毛，它们太小，无法用传统的成像技术进行研究。因此，洛夫利通过移除制造菌毛的基因来证明它们的重要性。没有了菌毛，地杆菌就无法再将金属氧化物转化为金属原子。此外，他还发现从细胞中收集的菌毛确实可以导电。
研究人员已经成功开发出了利用导电微生物的技术，但洛夫利希望直接获得导电微生物中的纳米线，以此为基础制造环保的电子产品。最近，他与其他科学家合著了2篇关于使用地杆菌纳米线制作传感器的论文。其中一篇发表于《纳米研究》（Nano Research），描述了这种纳米线探测氨的方法；另一篇则发表于《先进电子材料》（Advanced Electronic Materials），详细说明了制作的传感器能检测湿度的变化。他的团队在《自然》（Nature）杂志上描述的另一种设备，可以用纳米线从空气的水分子中提取电子，从而利用湿度产生电能。“与太阳能或风能等其他可持续发电形式相比，利用湿度产生电能有一些优势，因为它是一个每周7天、每天24小时连续进行的过程，”洛夫利解释说，“而且它可以在地球上的任何环境中工作。”洛夫利认为纳米线可以代替电池为一些设备提供动力。他说：“我们已经可以将蛋白质纳米线小型电子产品（发电），比如用于医疗监测的可穿戴贴片。”他还补充道，纳米线可以在活体组织中发挥作用而不会引发不良反应，生物降解的性能也比金属更强。
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洛夫利说，有一些公司已经表示对这类应用感兴趣。但是，一些科学家对于从产生纳米线的细菌中分离纳米线的步骤持怀疑态度。美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory）的生物学家莎拉·格拉文（Sarah Glaven）解释说：“将具有电学性质的蛋白质从它所处的环境中剥离出来，这些材料就不得不与合成材料竞争导电性能。纳米线将直接与其他的导电金属竞争。”格拉文此前曾与洛夫利有过研究合作，但没有参与他目前这部分工作，而是专注于将转基因导电细菌应用于海洋传感器等设备中。她指出，纳米线在海洋或人体等环境中具有优势，因为这些环境会腐蚀传统的电子设备。但她说，即使在那种环境下，纳米线还是需要与生物相容性聚合物等材料竞争。她更喜欢与活的微生物打交道，因为那样的应用将“不仅拥有电子载体，还拥有细胞本身的整个信息处理套件。”
虽然研究人员已经在研究如何应用活的细菌细胞，或者使用从细菌中收集的纳米线做导电材料，甚至已经探索了如何改造多产的细菌大肠杆菌（Escherichia coli）来产生导电菌毛，但现在仍然存在一个问题：哪种蛋白质构成的纳米线导电效率最高？了解到底是菌毛还是其他种类的纳米线携带了地杆菌的大部分电流，可以帮助科学家选择最好的导电材料。
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“所有人，包括我们，都曾以为（这种关键的纳米线）就是菌毛。”曾与洛夫利共事，目前在耶鲁大学拥有自己实验室的生物物理学家尼基尔·马尔万卡（Nikhil Malvankar）说。然而去年，马尔万卡和他的同事用电子显微镜对地杆菌做了成像分析，他们的结论是：一堆被称为细胞色素的蛋白质构成了微生物最主要的电传输途径，而不是丝状的菌毛蛋白。研究人员通过基因改造实验以及几种成像方法检测了这种细菌的生物荧光。格拉文说，为了获得地杆菌所使用的纳米线的准确图像，他们“用尽了所有办法”。耶鲁大学的研究小组指出，超灵敏导体细胞色素OmcZ产生于地杆菌对电场的响应过程，是它的生物膜剥离电子的主要途径。“眼见为实，所以我认为显微镜成像非常重要。”论文合著者、耶鲁大学物理学家西贝尔·雅尔辛（Sibel Yalcin）说。
但研究人员们仍然不能就哪一种纳米线最关键达成一致。有些人认为菌毛是最重要的导电结构，另一些认为细胞色素才是。洛夫利是菌毛阵营坚定的支持者。他说，当他的团队（当时也包括马尔万卡）对地杆菌进行基因改造、使它不能产生某种类型的细胞色素时，它形成的生物膜实际上比那些未经改造的细菌的生物膜导电性更强。格拉文说，她自己的实验室发现，电流在生物荧光地杆菌中“占绝对优势地”通过细胞色素移动。但她同时指出，密歇根州立大学（Michigan State University）另一个实验室的研究还是支持洛夫利的菌毛假说。
根据最近研究，马尔万卡更倾向于细胞色素——但他并没有排除菌毛的作用。“我们发现的（在细菌活跃导电时）所有的细丝结构都是细胞色素，”他说，“但是有没有可能在某些条件下，这个导电结构会是菌毛？这实际上仍然是一个悬而未决的问题。”
寻找地杆菌导电蛋白的努力可以帮助研究人员开发更有效的生活电子产品。即使还不完全了解导电微生物的奥秘，基于细菌的电子设备也可能很快出现。洛夫利说：“直接投入应用还为之过早，但到目前为止一切都很顺利。我有一些了不起的同事，他们擅长研发和应用新的电子材料，每隔几周就会想出一些新点子。”
撰文：索菲·布什威克（Sophie Bushwick）
翻译：施怿
文章来源：环球科学
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