科學人雜誌
科技

細菌生成奈米導線

2021-01-01 布希維克(Sophie Bushwick)
利用導電性細菌做為裝置的電力來源之前,必須先破解它們的電力傳輸方式。


地桿菌屬(Geobacter)的細菌長得像微小的菜豆,後面拖著細線狀的長尾巴,而且這種「奈米導線」真的能導電。科學家研究這類導電性細菌已數十年,希望藉此開發可在人體內安全運作、抗鏽蝕、甚至可由稀薄空氣產生電力的活科技產品。但是要實現這些目標,科學家必須先破解這些細小纖維的運作之謎,進而也引發激烈爭議。


美國麻州大學阿模斯特分校微生物學家洛夫利(Derek Lovley)研究地桿菌如何排除在能量產生過程中生成的電子時,發現它有導電能力。大多數微生物必須把電子輸送給鄰近的氧分子,藉由這種方式「呼吸」,但問題是地桿菌喜歡生活在無氧環境。他後來發現,這種單細胞生物可製造蛋白質長鏈,把電子輸送給鄰近的鐵鏽分子,鐵鏽分子再用這些帶電粒子轉變成磁鐵。接著又發現其他蛋白質奈米導線,但洛夫利認為其中以「菌毛」的角色最為重要。


構成菌毛的蛋白質稱為菌毛蛋白(pilin),由於菌毛蛋白相當微小,無法以傳統造影技術研究,因此洛夫利藉由去除細菌製造菌毛的基因來證明其重要性。他發現,地桿菌沒有菌毛,就無法把鐵鏽轉化成磁鐵,也發現他從地桿菌細胞取得的菌毛確實能導電。


研究人員已經開發出活導電性細菌的應用,但洛夫利希望能用地桿菌細胞的菌毛製作環保電子裝置。最近他在以地桿菌奈米導線製作感測器的兩篇論文中擔任共同作者,發表在2020年5月《奈米研究》的感測器可偵測氨,發表在2020年8月《先進電子材料》的另一種感測器可偵測濕度改變。洛夫利團隊在2020年2月《自然》中發表的另一種裝置,則是以奈米導線從空氣中的水分子汲取電子,因此可由濕氣產生電力,洛夫利說明:「相較太陽能或風力等永續發電方式,這種裝置有許多優點,例如可全天候持續且在地球上任何環境幾乎都能運作。」......


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