地下能量：源自细菌的电网如何塑造我们的世界

地下能量：源自细菌的电网如何塑造我们的世界土壤细菌利用蛋白质为纳米线供电，形成了一个支持生命并影响甲烷排放的地下电网。耶鲁大学和里斯本诺瓦大学诺瓦科技学院（NOVA-FCT）的研究人员发现，为了在没有氧气的环境中"呼吸"，我们脚下地下的细菌依靠单一的蛋白质家族将营养物质"燃烧"过程中产生的多余电子转移到从其表面伸出的被称为电毛的纳米线上。这项新研究的共同资深作者、耶鲁大学分子生物物理学和生物化学系及微生物科学研究所副教授尼基尔-马尔万卡尔（NikhilMalvankar）和诺瓦研究中心全职教授卡洛斯-萨尔盖罗（CarlosSalgueiro）说，这一系列蛋白质实质上就像插头一样，为这些纳米线供电，在地球深处形成天然电网，使许多类型的微生物得以生存并支持生命。研究人员发现一个蛋白质家族，其功能是为细菌纳米线充电的电源"插头"。资料来源：EricMartz马尔万卡尔实验室和萨尔盖罗实验室对这种微生物电网的组成部分进行了广泛研究。然而，人们还不清楚细菌如何将新陈代谢活动产生的多余电子传递到从其表面伸出的纳米线上，并与矿物质或邻居相连接。他们发现，许多种类的土壤细菌都依赖于其体内单一而广泛的细胞色素家族来为纳米线充电。了解这种纳米线充电的细节对于开发新能源和新生物材料的潜力及其对环境的影响非常重要。马尔万卡尔和萨尔盖罗指出，微生物吸收了海洋中80%的甲烷，而甲烷是从海底排放的，是导致全球变暖的主要因素。然而，地球表面的微生物排放到大气中的甲烷占50%。他们说，了解不同的代谢过程可能有助于减少甲烷排放。《自然-通讯》（NatureCommunications）杂志报道了这项研究。这项工作由共同第一作者皮拉尔-波特拉（PilarPortela）和凯瑟琳-希普斯（CatharineShipps）以及沈聪（CongShen）和维肖克-斯里坎特（VishokSrikanth）领导。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424699.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424699.htm

工程细菌为应对气候变化提供了一个强大的新途径

工程细菌为应对气候变化提供了一个强大的新途径在能源部联合生物能源研究所的实验中，研究人员观察了一株工程化的链霉菌，因为它生产环丙烷，这种高能分子有可能被用于新型生物活性化合物和先进生物燃料的可持续生产。资料来源：JingHuang/伯克利实验室最近发表在《自然》杂志上的这一发现，利用细菌将天然的酶促反应与一种被称为"碳烯转移反应"的新型反应相结合。这项研究有可能通过为通常依赖化石燃料的传统化学制造方法提供可持续的替代方案来减轻工业排放。"我们在这篇论文中所展示的是，我们可以在细菌细胞内合成这个反应中的一切--从天然酶到碳烯。"该研究的主要研究者、能源部联合生物能源研究所（JBEI）的首席执行官JayKeasling说："需要添加的只是糖，其余的由细胞完成。"烯烃是高度反应性的碳基化学品，可用于许多不同类型的反应。几十年来，科学家们一直希望将碳烯反应用于燃料和化学品的制造，以及药物的发现和合成。但是这些碳烯过程只能通过试管小批量进行，并且需要昂贵的化学物质来驱动反应。在新的研究中，研究人员用天然产品取代了昂贵的化学反应物，这些天然产品可以由链霉菌的一个工程菌株生产。第一作者、伯克利实验室Keasling实验室的博士后研究员JingHuang说："因为细菌通过细胞代谢使用糖来生产化学产品，这项工作使我们能够在没有通常用于化学合成的有毒溶剂或有毒气体的情况下进行卡宾化学。这种生物过程比今天合成化学品的方式更环保。"在JBEI的实验中，研究人员观察了工程细菌的新陈代谢，并将糖类转化为碳烯前体和烯类底物。该细菌还表达了一种进化的P450酶，该酶利用这些化学物质生产环丙烷，这些高能分子有可能被用于新型生物活性化合物和先进生物燃料的可持续生产。"我们现在可以在细菌细胞内进行这些有趣的反应。细胞产生所有的试剂和辅助因子，这意味着你可以将这一反应扩展到非常大的规模以用于大规模生产，"Keasling说。Huang说，培育细菌来合成化学品也可以在减少碳排放方面发挥不可或缺的作用。据伯克利实验室的其他研究人员称，近50%的温室气体排放来自化学品、钢铁和水泥的生产。政府间气候变化专门委员会最近的一份报告说，将全球变暖限制在比工业化前水平高1.5摄氏度，将需要在2030年前将温室气体排放严格削减一半。虽然这种完全集成的系统可以设想用于大量的碳烯供体分子和烯烃底物，但它还没有准备好进行商业化。"对于每一个新的进展，都需要有人迈出第一步。而在科学领域，可能需要多年才能成功。但是你必须继续尝试-我们不能放弃。我希望我们的工作将激励其他人继续寻找更绿色、可持续的生物制造解决方案，"黄说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1359105.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1359105.htm

耶鲁大学科学家们发现光加速了自然界“电网 ”的传导性

耶鲁大学科学家们发现光加速了自然界“电网”的传导性在土壤和海洋中存在着一个由微小细菌产生、纳米线组成的全球网络，它们通过呼出多余的电子来“呼吸”，为自然界构成了一个内在的电网络。在一项新研究中，耶鲁大学的科学家们发现，在促进生物膜细菌的这种电子活动方面，光是一位令人惊讶的盟友。他们发现，将细菌产生的纳米线暴露在光线下其导电性能会增加100倍之多。这一发现将于当地时间9月7日发表在《NatureCommunications》上。研究论文第一作者、耶鲁大学西校区微生物科学研究所分子生物物理学和生物化学副教授NikhilMalvankar说道：“暴露在光线下的纳米线的电流急剧增加显示出一种稳定和强大的光电流，该过程可以持续数小时。”当研究人员为各种目的寻求利用这种隐藏电流的方法时，这些结果可以提供新的见解。比如它可以被用来帮助消除生物危险废物或创造新的可再生燃料来源。几乎所有的生物都会呼吸氧气以便在将营养物质转化为能量时消除多余的电子。然而生活在海洋深处或埋在地下的土壤细菌却无法获得氧气。几十亿年来，它们已经开发出一种通过“呼吸矿物”的方式进行呼吸，就像浮潜一样，通过被称为纳米线的微小蛋白质丝进行呼吸。当这些细菌被暴露在光线下时，电流的增加让科学家们感到惊讶，因为大多数被测试的细菌都生活在土壤深处并远离光线的照射。以往的研究表明，纳米线生产的细菌在暴露于光下时生长得更快。Malvankar说道：“没有人知道这是如何发生的。”在新研究中，由博士后研究员JensNeu和研究生CatharineShipps领导的一个耶鲁大学团队得出结论，一种被称为细胞色素OmcS的含金属蛋白质--它构成了细菌纳米线--作为一种天然的光导体：当生物膜暴露在光线下时纳米线大大促进了电子转移。“这是一种完全不同的光合作用形式，在这里，由于纳米线之间的快速电子转移，光正在加速细菌的呼吸，”Malvankar介绍道。眼下，Malvankar的实验室正在探索如何利用对细菌导电性的这种洞察力来刺激光电子学的发展。这是光子学的一个子领域，以研究寻找和控制光线的设备和系统。他们希望利用这项技术来捕获甲烷--一种已知的对全球气候变化有重大影响的温室气体。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1313557.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1313557.htm

大肠杆菌变成了人造鼻的纳米线工厂

大肠杆菌变成了人造鼻的纳米线工厂当涉及到通过我们的鼻子感知我们周围的世界时，人类远远落后于我们的犬类伙伴。不过，为了努力追赶，科学家们多年来一直在努力工作，创造了一系列令人眼花缭乱的人工气味传感器。我们已经看到人造的"鼻子"可以从血液或尿液样本中发现癌症，从皮肤气味中检测出帕金森病，监测水中的细菌，找到自然灾害中埋在废墟下的人，并嗅出空气中的危险毒素。马萨诸塞大学阿默斯特分校（UMA）的研究人员说，这些传感器中使用的许多纳米线的问题是，它们是由有毒和不可降解的材料制成的，如硅或碳纤维。为了解决这个问题，研究小组转向了细菌解决方案。去年，UMA的微生物学家DerekLovley和电气与计算机工程师JunYao使用一种名为Geobactersulfurreducens的细菌创造了一种可穿戴的生物膜，该生物膜可通过汗水发电。该实验的成功集中体现在该细菌生长出能够实际导电的极小电线的能力。研究小组决定将这些纳米线用于他们新的人造鼻中。然而，巯基细菌很难培养，因为它需要非常特殊的条件才能生长。因此，该团队争取到了一种更坚韧的细菌的帮助。研究人员把'纳米线基因'--称为pilin--从G.sulfurreducens中取出，并把它拼接到大肠杆菌的DNA中，这是世界上最常见的细菌之一。除了让大肠杆菌开始生产纳米线外，Lovely和Yao还进行了额外的基因修改，使这些线被一种被称为DLESFL的肽所覆盖。这使得这些电线对氨的敏感度比以前高100倍，氨是肾脏疾病患者呼吸中的一种副产品。然后，这些生物导线被植入一个传感器，该传感器在发现氨方面比以前由传统材料制成的传感器更有效。Yao介绍说："这项研究最令人兴奋的事情之一是，我们正在将电气工程带入一个根本性的新方向。这些蛋白质纳米线的魅力在于，可以利用生命的基因设计来建立一个稳定的、多功能的、低影响的和具有成本效益的平台，而不是用不会生物降解的稀缺原材料制成的电线。"研究人员说，可以让这些微小的细菌工厂生产出涂有不同肽的电线，可以为其他疾病的化学制造者提供感应。"有可能设计出独特的肽，每个肽都能特异性地结合感兴趣的分子，"研究报告的共同作者ToshiyukiUeki说。"因此，随着更多由身体发出的、对某种特定疾病具有特异性的示踪分子被确定，我们可以制造出结合了数百种不同化学嗅觉的纳米线的传感器来监测各种健康状况。"这项研究已经发表在《生物传感器和生物电子学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346099.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346099.htm

研究发现纳米材料氧化石墨烯可通过肠道微生物组影响免疫系统

研究发现纳米材料氧化石墨烯可通过肠道微生物组影响免疫系统"该论文的通讯作者、瑞典卡罗林斯卡学院环境医学研究所教授BengtFadeel说："这表明我们必须将肠道微生物组纳入我们对纳米材料如何影响免疫系统的理解。研究结果对于确定纳米材料的潜在不利影响以及在新材料中减轻或防止这种影响非常重要。"石墨烯是一种极薄的材料，比人的头发还要薄一百万倍。它由单层碳原子组成，比钢铁更坚固，但又有弹性、透明和导电性。这使得它在众多的应用中极为有用，包括在配备有可穿戴电子设备的"智能"纺织品中，以及作为复合材料的组成部分，以增强现有材料的强度和导电性。随着石墨烯基纳米材料使用的增加，需要研究这些新材料如何影响身体。人们已经知道纳米材料会对免疫系统产生影响，近年来的一些研究表明，它们也会影响肠道微生物组，即胃肠道中自然存在的细菌。纳米材料、肠道微生物组和免疫力之间的关系是本研究使用斑马鱼进行的主题。被调查的纳米材料是氧化石墨烯，它可以被描述为石墨烯的一个相对物，由碳原子和氧原子组成。与石墨烯不同，氧化石墨烯可溶于水，是医学研究的兴趣所在，例如，作为在体内输送药物的一种手段。在这项研究中，研究人员让成年斑马鱼通过水接触氧化石墨烯，并分析了它如何影响微生物组的组成。他们既使用了正常的鱼，也使用了在其肠道细胞中缺乏一种叫做芳烃受体（通常缩写为AhR）的受体分子的鱼，这是一种对各种内源性和细菌性代谢物的受体。"我们能够表明，当我们将鱼暴露在氧化石墨烯中时，肠道微生物组的组成发生了变化，即使是低剂量，AhR也会影响肠道微生物组，"该研究的第一作者、卡罗林斯卡学院环境医学研究所的博士后研究员彭国涛说。研究人员还生成了完全缺乏天然肠道微生物组的斑马鱼幼体，这使得研究个别微生物组成分的影响成为可能，在这种情况下，丁酸（一种脂肪酸），它由某些类型的肠道细菌分泌。众所周知，丁酸能够与AhR结合。这样做，研究人员发现，氧化石墨烯和丁酸的组合在鱼体内产生了所谓的2型免疫力。结果发现，这种效果取决于肠道细胞中AhR的表达。"这种类型的免疫力通常被视为对寄生虫感染的一种反应。"彭国涛说："我们的解释是，肠道免疫反应可以以类似于处理寄生虫的方式处理氧化石墨烯。"使用一种先进的免疫细胞绘图方法，研究人员还能够表明，在斑马鱼幼虫中发现了一种叫做先天淋巴细胞的免疫系统组成部分。这表明斑马鱼是研究免疫系统的一个良好模型，包括原始或先天免疫系统。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336795.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336795.htm

地球的"活皮肤" - 生物土壤结皮受到气候变化的威胁

地球的"活皮肤"-生物土壤结皮受到气候变化的威胁共焦扫描激光显微镜拍摄的生物簇截面图。土壤颗粒呈现出深浅不一的灰色，而蓝藻丝束（荧光红色）则位于土壤颗粒之间。资料来源：宾夕法尼亚州立大学研究人员最近在《微生物学前沿》（FrontiersofMicrobiology）杂志上发表了他们的研究成果。研究小组负责人、宾夕法尼亚州立大学土壤与环境微生物学助理教授埃斯特尔-库拉多（EstelleCouradeau）说："生物簇目前覆盖了地球陆地表面约12%的面积，由于气候变化和土地使用的加剧，我们预计它们将在65年内减少约25%到40%。我们希望这项工作能为了解支持生物结壳抵御快速变化的气候模式和更频繁干旱的微生物功能铺平道路。"生物土壤板结是生物的集合体，在土壤中形成一个常年、组织良好的表层。它们分布广泛，遍布各大洲，只要缺水限制了普通植物的生长，让光照进入裸露的土壤，它们就会出现。但仍有足够的水支持微生物的生长，这些微生物提供宝贵的生态系统服务，如从空气中吸收碳和氮并将其固定在土壤中、循环利用养分以及将土壤颗粒固定在一起，从而有助于防止尘土飞扬。宾夕法尼亚州立大学研究生瑞安-特雷克斯勒（RyanTrexler）从野外采集生物菌核，然后带回实验室进行研究。图片来源：宾夕法尼亚州立大学Couradeau认为，这种土壤稳定功能非常重要，它能使土壤凝结成块，不会分解成灰尘，从而减少水土流失。她的研究小组现在宾夕法尼亚州立大学农业科学学院工作，十年来一直在深入研究生物簇。她说："大多数灰尘都是在旱地产生的，而研究表明，旱地中生物簇的存在大大减少了原本会进入大气层的灰尘量。我们认为，失去生物壳会导致全球尘埃排放量和沉积量增加5%到15%，这将影响气候、环境和人类健康。"在存在生物簇的半干旱地区，生物--微小的苔藓、地衣、绿藻、蓝藻、其他细菌和真菌--可能一年只经历几次雨雪天气，带头进行这项研究的生态学和生物地球化学跨学院研究生学位项目的博士候选人瑞安-特雷克斯勒解释说。他说："土壤干燥时，土壤中的微生物大多处于休眠状态，不会做什么。但是，一旦它们感知到水，就会在几秒到几分钟内迅速复苏。它们会积极制造叶绿素，固定碳和氮，直到土壤再次干燥--然后微生物再次休眠。每次下雨，它们都会经历活动周期。"犹他州摩押附近科罗拉多高原的景色，秋季降雨后，土壤湿润，足以激活微生物，因此在这里采集了生物簇样本。资料来源：宾夕法尼亚州立大学为了研究生物簇，研究人员从犹他州摩押附近科罗拉多高原上三块未受干扰、以蓝藻为主的生物簇中采集了样本。生物簇样本是在秋季降雨后采集的，雨水充分湿润了土壤，从而激活了微生物。样本随后被烘干并保存在黑暗中，然后在研究后期重新浸湿。特雷克斯勒说："我们取样的地方被称为'寒冷沙漠'，因为那里非常干旱，但冬天有时会下雪。因此，那里不像其他许多干旱地区那样炎热，但植物仍然无法在那里生长，因为没有足够的水。因此，我们在该地土壤中发现的唯一群落就是微生物。"为了确定哪些微生物活跃在土壤群落中，研究人员将生物正交非规范氨基酸标记（称为BONCAT）与荧光激活细胞分选相结合。BONCAT是在群落和整个生物体内追踪单细胞蛋白质合成的强大工具，而荧光激活细胞分拣则根据细胞是否正在产生新蛋白质对其进行分拣。研究人员将这些过程与霰弹枪元基因组测序结合起来，从而对生物簇样本中所有生物的所有基因进行了全面采样。他们利用这种方法，对生物簇群落中的活性和非活性微生物的多样性和潜在功能能力进行了剖析。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376789.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376789.htm