地桿菌屬 (Geobacter) 中的細菌看起來像微型的芸豆，長出了長長的、類似電線的尾巴——事實證明，這些“奈米線”確實能導電。幾十年來，科學家們一直在研究這種導電細菌，希望能開發出能在人體內安全工作、耐腐蝕，甚至能真正從稀薄的空氣中提取電力的生物技術。但為了使之成為現實，他們首先必須解開這些微小纖維實際工作原理的謎團——一場激烈的辯論正在形成。
地桿菌的導電能力是由馬薩諸塞大學阿默斯特分校的微生物學家德里克·洛夫利發現的，他想知道這些細菌是如何擺脫能量產生過程中產生的電子的。大多數微生物需要將電子傳遞給鄰近的氧分子才能“呼吸”——但地桿菌在無氧環境中茁壯成長。洛夫利最終意識到，這些單細胞生物會產生長鏈蛋白質，將電子輸送到附近的鐵鏽分子，鐵鏽分子利用帶電粒子轉化為磁鐵礦。此後又發現了其他蛋白質奈米線，但洛夫利認為其中一種叫做菌毛的蛋白質起著主要作用。構成菌毛的蛋白質（稱為菌毛蛋白）太小，無法用傳統成像技術進行研究，因此洛夫利透過去除製造菌毛的基因來證明它們的重要性。沒有它，地桿菌就無法將鐵鏽轉化為磁鐵礦。此外，他發現從細胞中收集到的菌毛確實可以導電。
研究人員已經開發出利用活體導電微生物的應用，但洛夫利希望收穫奈米線本身，以構建環保電子產品。他最近與人合著了兩篇關於用地桿菌奈米線製成的感測器的論文：其中一篇發表在《奈米研究》(Nano Research) 雜誌上，檢測氨氣；另一篇詳細介紹在《先進電子材料》(Advanced Electronic Materials) 雜誌上，檢測溼度變化。他的團隊在《自然》(Nature) 雜誌上描述的另一種裝置，使用奈米線從空氣中的水分子中提取電子——從而從溼度中產生電力。“與其他可持續的發電形式（如太陽能或風能）相比，它具有一些優勢，因為它是一個24/7的連續過程，”洛夫利解釋說。“而且它可以在地球上幾乎任何環境中工作。”
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
他建議奈米線可以代替電池為某些裝置供電。“我們已經可以使用蛋白質奈米線[發電]為小型電子裝置供電，例如用於醫療監測的可穿戴貼片，”他說，並補充說奈米線可以在活組織中發揮作用而不會引起不良反應，並且比金屬更易生物降解。
洛夫利說，一些公司已經表達了對此類應用的興趣。但一些科學家對將奈米線從產生它們的細菌中分離出來持懷疑態度。“將具有電特性的蛋白質從其自然環境中取出——它們[然後]必須與合成材料競爭”效率，美國海軍研究實驗室生物學家莎拉·格拉文解釋說。奈米線將“很難與導電金屬之類的東西競爭”。她以前曾與洛夫利合作，但沒有參與他目前的研究，而是專注於基因改造導電細菌，用於海洋感測器等應用。
格拉文指出，奈米線在海洋或人體等腐蝕傳統電子產品的環境中具有優勢。但即使在這種環境中，她說，奈米線仍將與生物相容性聚合物等材料競爭。她更喜歡與活體微生物合作，因為“你不僅擁有電子傳輸材料——你還擁有細胞本身內的整套資訊處理系統。”
儘管研究人員已經在為活細胞和收穫的奈米線尋找應用——甚至探索了改造多產的大腸桿菌 (Escherichia coli) 以產生菌毛——但關於哪些蛋白質構成最具生產力的奈米線的問題仍然存在。瞭解菌毛還是另一種型別的奈米線攜帶了地桿菌的大部分電力，可以指導科學家選擇電子產品的最佳材料。
“包括我們在內的所有人，都認為[關鍵奈米線]是菌毛，”生物物理學家尼基爾·馬爾萬卡爾說，他之前曾與洛夫利合作，但目前在耶魯大學擁有自己的實驗室。然而，去年，馬爾萬卡爾和他的同事用電子顯微鏡對地桿菌進行了成像；他們得出結論，形成微生物主要電力傳輸方法的不是串狀菌毛蛋白，而是稱為細胞色素的蛋白質堆疊。研究人員繼續透過基因改造實驗以及幾種成像方法檢查了細菌的生物膜——格拉文說他們“真的傾盡全力”以獲得地桿菌使用的奈米線的準確影像。耶魯大學的團隊確定了一種特定的超高效導體細胞色素 OmcZ，地桿菌在電場作用下產生這種細胞色素，作為生物膜的主要電子脫落方法。“眼見為實，所以我認為顯微鏡成像非常重要，”合著者、耶魯大學物理學家西貝爾·亞爾欽說。
但研究人員仍然對哪種奈米線最重要存在分歧。有些人站在菌毛一邊，另一些人則支援細胞色素。洛夫利堅定地站在菌毛陣營：他說，當他的團隊（當時包括馬爾萬卡爾）對地桿菌進行基因改造，使其無法產生某種型別的細胞色素時，它形成的生物膜實際上比未改造細菌產生的生物膜更具導電性。格拉文說，她自己的實驗室發現，電流在地桿菌生物膜中“絕大多數”是透過細胞色素移動的。但她指出，密歇根州立大學的另一個實驗室正在進行基於洛夫利菌毛假設的工作。
根據他最新的研究，馬爾萬卡爾傾向於細胞色素——但他並沒有排除菌毛的作用。“我們發現的所有細絲[當細菌積極導電時]都是細胞色素，”他說。“但有沒有可能在某些條件下，它可能會產生菌毛？這實際上是一個懸而未決的問題。”
弄清地桿菌的導電蛋白的動力可以幫助研究人員開發更高效的生物電子產品。即使在對導電微生物的奧秘沒有完全瞭解的情況下，基於細菌的電子裝置也可能很快成為可能。洛夫利說，現在還處於早期階段，“但到目前為止，一切進展順利。我有一些很棒的同事，他們只是知道如何用電子材料做事。每隔幾周他們就會想出一些新東西。”