微生物胞外电子转移与工程电活性微生物的策略

环境污染与能源短缺已经成为世界的两大难题。以电活性微生物（EAMs）为主导的微生物电催化系统，在废水资源化与能源化中发挥着核心关键作用，作为一种新型的绿色能源生产方式逐渐崭露头角。电活性微生物是一类能与外界环境进行“双向”电子和能量交换的微生物，由于其具有胞外电子转移（EET）能力而备受关注，被广泛应用于微生物燃料电池、微生物电合成和微生物电解电池等诸多领域。然而由于电活性微生物的胞外电子传递效率低，导致电催化能力不足，成为了限制电活性微生物应用的主要瓶颈。系统分析和总结微生物胞外电子转移的研究进展，创新工程电活性微生物的技术与策略，具有重要意义。

近日，在国家重点研发计划“合成生物学”重点专项资助下，天津大学化工学院、系统生物工程教育部重点实验室王智文副教授（点击查看介绍）团队，在生物技术领域著名杂志Biotechnology Advances（SCI一区TOP期刊，IF₂₀₁₉=10.744）发表论文，归纳了近年来电活性微生物EET机制及其研究进展，讨论了提高EET的工程策略。

论文简要总结了不同种类微生物（细菌、真菌和古生菌）的细胞膜与细胞壁结构特征，综述了电活性微生物的EET机制及其研究进展（图1），包括直接电子传递（DET）与间接电子传递（IET）。在DET中，电活性微生物可通过细胞色素、导电鞭毛、膜泡等实现与胞外电子受体的直接接触导电；在IET中，电活性微生物主要通过电子传递介质（黄素、吩嗪等）介导的电子传递。进一步详细讨论了细菌、真菌、古生菌中不同电活性微生物的电子传递路径及EET机制。

图1. 电活性微生物与电极、金属离子和电活性微生物间的胞外电子机制

工程电活性微生物的技术与策略方面，论文重点总结了通过细胞色素蛋白通道增强跨膜电子传递，强化电子穿梭载体的合成与运输加速电子传递，调节生物膜形成促进微生物-电极界面反应三个方面的研究进展（图2）；分析了在EET机制和提高EET能力方面存在的挑战；对未来通过系统生物学方法研究EET机制，开发先进使能技术重构电能细胞工厂，结合多元模块化代谢工程与系统工程优化构筑合成微生物电催化菌群等方面进行了展望。

图2. 提高电活性微生物胞外电子传递的方法

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Microbial extracellular electron transfer and strategies for engineering electroactive microorganisms

Juntao Zhao, Feng Li, Yingxiu Cao, Xinbo Zhang, Tao Chen, Hao Song, Zhiwen Wang

Biotechnol. Adv., 2020, DOI: 10.1016/j.biotechadv.2020.107682

导师介绍

王智文，博士，天津大学化工学院生物化工系副教授，博士生导师。教育部合成生物学前沿科学中心、系统生物工程教育部重点实验室、天津化学化工协同创新中心和发酵技术国家工程研究中心成员。美国化学工程师协会（AIChE）、国际代谢工程学会（IMES）、中国化学会会员。科技部第六次国家技术预测专家。2014年入选天津大学北洋学者-青年骨干教师。2015-2016年在美国科罗拉多大学博尔德分校从事博士后研究。2017-2018年在中国生物技术发展中心工业生物技术处借调工作。主持承担国家“863”计划子课题，国家重点研发计划子课题，国家自然科学基金青年基金、面上项目等国家级、省部级项目10余项。第一/通讯作者在Green Chemistry、Metabolic Engineering、ACS Synthetic Biology、Biotechnology for Biofuels、Biotechnology & Bioengineering等高水平期刊发表SCI收录论文36篇，EI收录论文4篇，中文核心期刊论文12篇，第一发明人申请国家发明专利19项；参编国家级规划教材《代谢工程》，执笔4万余字。

https://www.x-mol.com/university/faculty/13295