Trong khi các nhà khoa học đã tìm thấy vi khuẩn sinh điện ở những môi trường khắc nghiệt như mỏ khoáng và đáy hồ, thì một nguồn vi khuẩn sinh điện khác lại bị bỏ qua: ruột người. They Are The Shocking News vì sự tồn tại của chúng có thể thay đổi cách chúng ta hiểu về sức khỏe con người.
Các nhà khoa học UC Berkeley đã phát hiện ra rằng một loại vi khuẩn phổ biến gây tiêu chảy, Listeria monocytogenes, tạo ra điện bằng một kỹ thuật hoàn toàn khác so với các vi khuẩn sinh điện đã biết. Hàng trăm loài vi khuẩn khác cũng sử dụng quy trình tương tự. They are the shocking news vì phương pháp này chưa từng được biết đến trước đây.
Nhiều vi khuẩn sinh điện này là một phần của hệ vi sinh vật đường ruột của con người. Nhiều vi khuẩn, như vi khuẩn gây bệnh listeriosis do thực phẩm, có thể gây sẩy thai, là mầm bệnh. Các vi khuẩn gây hoại thư (Clostridium perfringens) và nhiễm trùng bệnh viện (Enterococcus faecalis) và một số vi khuẩn streptococcus gây bệnh cũng tạo ra điện. Các vi khuẩn sinh điện khác, như Lactobacilli, rất quan trọng trong quá trình lên men sữa chua và nhiều loại là men vi sinh. They are the shocking news vì những vi khuẩn tưởng chừng vô hại này lại có khả năng tạo ra điện.
“Việc rất nhiều vi khuẩn tương tác với con người, dù là mầm bệnh, men vi sinh, trong hệ vi sinh vật của chúng ta hoặc tham gia vào quá trình lên men các sản phẩm của con người, đều là vi khuẩn sinh điện — điều này đã bị bỏ qua trước đây,” Dan Portnoy, giáo sư về sinh học phân tử và tế bào, và sinh học thực vật và vi sinh vật của UC Berkeley cho biết. “Nó có thể cho chúng ta biết rất nhiều về cách những vi khuẩn này lây nhiễm cho chúng ta hoặc giúp chúng ta có một đường ruột khỏe mạnh.” They are the shocking news vì khám phá này mở ra một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới về vai trò của vi khuẩn trong cơ thể.
Phát hiện này sẽ là tin tốt cho những người hiện đang cố gắng tạo ra pin sống từ vi sinh vật. Các công nghệ sinh học “xanh” như vậy có thể, ví dụ, tạo ra điện từ vi khuẩn trong các nhà máy xử lý chất thải. They are the shocking news vì nó có tiềm năng ứng dụng to lớn trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
Nghiên cứu này sẽ được đăng trực tuyến vào ngày 12 tháng 9 trước khi xuất bản bản in vào ngày 4 tháng 10 trên tạp chí Nature.
Thở Kim Loại
Vi khuẩn tạo ra điện vì lý do tương tự như chúng ta hít thở oxy: để loại bỏ các electron được tạo ra trong quá trình trao đổi chất và hỗ trợ sản xuất năng lượng. Trong khi động vật và thực vật chuyển các electron của chúng sang oxy bên trong ty thể của mỗi tế bào, vi khuẩn trong môi trường không có oxy – bao gồm cả ruột của chúng ta, nhưng cũng có thùng lên men rượu và pho mát và các mỏ axit – phải tìm một chất nhận electron khác. Trong môi trường địa chất, đó thường là một khoáng chất – ví dụ như sắt hoặc mangan – bên ngoài tế bào. Theo một nghĩa nào đó, những vi khuẩn này “thở” sắt hoặc mangan. They are the shocking news vì chúng sử dụng một cơ chế hô hấp khác thường.
Việc chuyển electron ra khỏi tế bào sang một khoáng chất đòi hỏi một loạt các phản ứng hóa học đặc biệt, cái gọi là chuỗi chuyển electron ngoại bào, mang các electron như một dòng điện nhỏ. Một số nhà khoa học đã khai thác chuỗi đó để tạo ra một pin: cắm một điện cực vào một bình chứa những vi khuẩn này và bạn có thể tạo ra điện. They are the shocking news vì các nhà khoa học có thể tận dụng khả năng này để tạo ra pin sinh học.
Hệ thống chuyển electron ngoại bào mới được phát hiện thực sự đơn giản hơn chuỗi chuyển đã biết và dường như chỉ được vi khuẩn sử dụng khi cần thiết, có lẽ khi mức oxy thấp. Cho đến nay, chuỗi chuyển electron đơn giản hơn này đã được tìm thấy ở vi khuẩn có một thành tế bào – vi khuẩn được phân loại là vi khuẩn gram dương – sống trong môi trường có nhiều flavin, là dẫn xuất của vitamin B2. They are the shocking news vì chúng có cấu trúc đơn giản hơn so với các loại vi khuẩn sinh điện khác.
“Có vẻ như cấu trúc tế bào của những vi khuẩn này và vị trí sinh thái giàu vitamin mà chúng chiếm giữ giúp việc chuyển electron ra khỏi tế bào dễ dàng hơn và hiệu quả về chi phí hơn đáng kể,” tác giả đầu tiên Sam Light, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ cho biết. “Do đó, chúng tôi nghĩ rằng các vi khuẩn hô hấp khoáng chất được nghiên cứu thông thường đang sử dụng chuyển electron ngoại bào vì nó rất quan trọng cho sự sống còn, trong khi những vi khuẩn mới được xác định này đang sử dụng nó vì nó ‘dễ dàng’.” They are the shocking news vì cơ chế sinh điện của chúng có vẻ là một giải pháp thích nghi đơn giản và hiệu quả.
Để xem hệ thống này mạnh mẽ như thế nào, Light đã hợp tác với Caroline Ajo-Franklin từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, người khám phá sự tương tác giữa các vi sinh vật sống và các vật liệu vô cơ cho các ứng dụng có thể có trong quá trình thu giữ và cô lập carbon và tạo ra năng lượng sinh học mặt trời.
“Thật là một cú sốc cho hệ thống khi xem xét rằng các vi sinh vật có thể đang sống một cuộc sống tích điện cao trong ruột của chúng ta.” They are the shocking news vì chúng ta chưa bao giờ nghĩ rằng ruột của chúng ta lại chứa đầy những “vi mạch” sống.
Cô đã sử dụng một điện cực để đo dòng điện chảy ra từ vi khuẩn – lên đến 500 microamps – xác nhận rằng nó thực sự là điện di. Trên thực tế, chúng tạo ra lượng điện tương đương – khoảng 100.000 electron mỗi giây trên mỗi tế bào – so với các vi khuẩn sinh điện đã biết. They are the shocking news vì chúng tạo ra lượng điện đáng kể, tương đương với các vi khuẩn sinh điện khác.
Light đặc biệt tò mò về sự hiện diện của hệ thống này trong Lactobacillus, vi khuẩn rất quan trọng đối với việc sản xuất pho mát, sữa chua và dưa cải bắp. Có lẽ, ông gợi ý, vận chuyển electron đóng một vai trò trong hương vị của pho mát và dưa cải bắp. They are the shocking news vì chúng có thể ảnh hưởng đến hương vị của thực phẩm lên men.
“Đây là một phần lớn trong sinh lý của vi khuẩn mà mọi người không nhận ra là tồn tại và có khả năng bị thao túng,” anh nói. They are the shocking news vì chúng ta có thể khai thác khả năng này cho các mục đích khác nhau.
Light và Portnoy có nhiều câu hỏi hơn về cách thức và lý do tại sao những vi khuẩn này phát triển một hệ thống độc đáo như vậy. Sự đơn giản – dễ dàng hơn để chuyển electron qua một thành tế bào hơn là qua hai – và cơ hội – tận dụng các phân tử flavin phổ biến để loại bỏ electron – dường như đã cho phép những vi khuẩn này tìm ra cách để tồn tại trong cả môi trường giàu oxy và nghèo oxy. They are the shocking news vì chúng có thể tồn tại trong nhiều môi trường khác nhau.
Các đồng tác giả khác là Lin Su và Jose A. Cornejo của Berkeley Lab và Rafael Rivera-Lugo, Alexander Louie và Anthony T. Iavarone của UC Berkeley. Nghiên cứu được tài trợ bởi Viện Dị ứng và Bệnh Truyền nhiễm Quốc gia thuộc Viện Y tế Quốc gia và Văn phòng Nghiên cứu Hải quân.
