动态合成与转运吩嗪 - 1 - 羧酸：提升细胞外电子传递效率的新策略

《Nature Communications》：Dynamic synthesis and transport of phenazine-1-carboxylic acid to boost extracellular electron transfer rate

为解决细胞外电子传递（EET）速率低限制生物电化学系统（BESs）实际应用的问题，研究人员开展了通过构建 PCA 生物合成途径、促进其运输及动态解耦合成与运输来提升 EET 的研究。结果使工程菌株最大输出功率密度达2.85±0.10 W m?2 ，为增强 EET 提供了有效策略。

　　在生物电化学的奇妙世界里，微生物如同一个个微小却能量巨大的 “发电站”，具备细胞外电子传递（EET）能力，这一能力是众多生物电化学系统（BESs）的基础，像微生物燃料电池可同时处理废水和发电，微生物电合成能生产增值化学品等。然而，目前 EET 速率低、电流和功率产出受限，成为 BESs 广泛应用的关键瓶颈。为了突破这一困境，天津大学、东北大学等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员用到的主要关键技术方法包括：通过基因工程构建相关基因和质粒，运用高效液相色谱（HPLC）测量吩嗪 - 1 - 羧酸（PCA）浓度，借助共聚焦拉曼光谱、荧光蛋白检测、转录组分析、蛋白质纯化和电化学分析等技术，从多方面探究 PCA 对细胞的影响及 EET 增强机制。

研究结果如下：

• 构建和优化 PCA 生物合成途径：研究发现添加约 80 μM 的 PCA 能使希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）MR - 1 产生最高功率，且 PCA 在介导 EET 时有最佳水平。研究人员从不同属的九种吩嗪产生物种中克隆 PCA 生物合成操纵子，构建重组菌株，筛选出产生 PCA 水平最高且 EET 速率最高的菌株 SC7。进一步优化启动子，得到菌株 SO3，其产生的 PCA 水平接近最佳值，最大输出功率密度比 SC7 更高。
• 改造细胞膜通透性促进 PCA 运输：为使细胞内 PCA 及时运出细胞以增强 EET，研究人员分别表达外膜孔蛋白和内膜外排泵来调节 PCA 的运输。结果发现表达孔蛋白 OprF 的菌株 SP1 功率密度最高，但 OprF 的过表达会抑制细胞生长和降低细胞活力。
• 动态解耦 PCA 生物合成和运输缓解 OprF 诱导的细胞毒性：为缓解 OprF 的细胞毒性，研究人员设计了动态调控方法，利用 PCA 生物传感器调节 OprF 的表达。通过定点突变优化生物传感器，得到菌株 SDV3，其 EET 速率最高，解决了 OprF 细胞毒性问题，使 PCA 合成水平达到高输出功率密度要求。
• 阐明 PCA 促进 EET 的分子机制：研究表明 PCA 作为电子穿梭体，能从外膜 c 型细胞色素（OM c - Cyts）MtrC 和 OmcA 获取电子并传递给电极。PCA 还能增强碳源代谢、c - Cyts 生物合成和生物膜形成，通过上调环磷腺苷（cAMP）水平促进乳酸代谢和 c - Cyts 生物合成，进而促进生物膜形成。通过实验确定 PCA 作为电子穿梭体是促进 EET 的主要机制。

研究结论和讨论部分指出，本研究成功构建 PCA 生物合成途径，实现其动态合成与运输，显著提升了工程菌株的 EET。全面分析了 PCA 促进 EET 的机制，发现其不仅作为电子穿梭体，还改善细胞代谢和生物膜形成。这一研究为增强 EET 提供了有效策略，为生物电化学系统的发展开辟了新方向，有望推动微生物燃料电池、微生物电合成等领域的实际应用，助力解决能源和环境等相关问题 。