Geobacter sulfurreducens导电菌毛的直接观察：一项突破性研究

作者及机构
本研究由Xinying Liu（北京林业大学环境科学与工程学院、马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学系）、David J. F. Walker（德克萨斯大学奥斯汀分校分子生物科学系）、Stephen S. Nonnenmann（马萨诸塞大学阿默斯特分校机械与工业工程系）、Dezhi Sun（北京林业大学）和Derek R. Lovley（马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学系）共同完成，发表于2021年8月的《mBio》期刊（卷12，第4期，e02209-21）。

学术背景

科学领域与背景知识
Geobacter sulfurreducens是一种典型的电活性微生物，在生物地球化学循环（如铁还原）、生物电化学系统（如微生物燃料电池）和微生物腐蚀中扮演关键角色。其胞外电子传递（extracellular electron transfer, EET）机制一直是电微生物学的研究热点。此前研究提出，导电菌毛（electrically conductive pili, e-pili）是长距离电子传递的主要通道，但近年有争议认为，多血红素c型细胞色素（如OmcS和OmcZ）组成的蛋白纳米线才是真正的电子载体。这一争议的核心在于传统分离纯化菌毛的方法可能引入假象，例如选择性富集细胞色素纤维或破坏天然结构。

研究目标
本研究旨在通过原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）直接观察细胞表面自然状态的菌毛，避免纯化过程中的干扰，从而明确Geobacter sulfurreducens中导电菌毛的存在、丰度及其功能。

研究流程与方法

实验设计与样本处理
1. 菌株与培养条件
- 使用野生型Geobacter sulfurreducens（表达天然PilA菌毛蛋白）、突变株ARO-5（表达低导电性改造菌毛蛋白）和五重细胞色素缺失株（ΔomcBESTZ，缺失OmcB、OmcE、OmcS、OmcT和OmcZ基因）。
- 所有菌株在含10 mM乙酸（电子供体）和40 mM富马酸（电子受体）的培养基中培养，以诱导OmcS的高表达。

1. 原子力显微镜（AFM）直接观察

   • 样本制备：将50 μL菌液滴铸于镀铂硅片，静置12分钟后洗涤干燥，在40%湿度下平衡后扫描。
     
   • 成像与分析：通过AFM高度图像和电流-电压（I-V）谱区分菌毛类型：
     
     • 直径3 nm的纤维：符合e-pili特征（与异源表达PilA的菌毛一致）。
       
     • 直径4 nm的纤维：具有20 nm轴向周期，符合OmcS纤维特征。
       

2. 导电性测量

   • 通过点模式电流响应（I-V spectroscopy）量化单根菌毛的导电性，线性拟合计算电导率。
     

3. 突变株验证

   • ARO-5菌株的3 nm菌毛导电性显著降低，验证直径与导电性的关联。
     
   • ΔomcBESTZ菌株仅表达3 nm菌毛，且导电性与野生型一致，排除细胞色素干扰。
     

主要结果

1. e-pili是主要导电纤维

   • 野生型中90%的菌毛为3 nm直径，电导率（2.9 ± 0.4 nS）与既往e-pili数据一致；仅10%为4 nm OmcS纤维（电导率1.8 ± 0.3 nS）。
     
   • ARO-5的3 nm菌毛电导率下降100倍，证明天然PilA序列对导电性的关键作用。
     

2. 细胞色素纤维的次要角色

   • ΔomcBESTZ菌株完全缺失4 nm纤维，但3 nm菌毛的导电性未受影响，表明e-pili是独立于细胞色素的功能单元。
     

3. 生理功能关联

   • 既往研究显示，低导电性菌毛突变株（如ARO-5）的生物膜导电性和产电能力显著受损，而OmcS缺失株无此缺陷，支持e-pili在长距离电子传递中的核心作用。
     

结论与意义

科学价值
本研究通过AFM直接观察，确证了Geobacter sulfurreducens自然状态下大量表达e-pili，解决了关于导电纤维组成的争议。e-pili的丰度和导电性优势使其成为长距离电子传递的主导载体，而细胞色素纤维可能仅在某些特定条件下发挥作用。

应用价值
- 环境与能源领域：e-pili的导电机制可优化微生物燃料电池、生物修复和直接种间电子传递（DIET）技术。
- 材料科学：基于e-pili的“绿色”电子器件设计（如生物传感器）提供新思路。

研究亮点

1. 方法创新：首次通过AFM直接观察细胞表面菌毛，避免传统纯化方法的假象。
   
2. 争议解决：明确e-pili的主导地位，调和了与细胞色素假说的矛盾。
   
3. 跨学科意义：为电微生物学、环境科学和生物材料领域提供统一的理论框架。
   

补充价值
研究还提出，未来可通过类似方法评估其他电活性微生物的导电纤维分布，推动对微生物电子传递网络的全面理解。

（全文约2000字）