第二看臺(tái)

    心臟跳動(dòng)、肌肉收縮、眼睛開(kāi)閉、大腦思維……人體任何一個(gè)細(xì)微的活動(dòng)都與生物電有關(guān)，都伴隨著生物電的產(chǎn)生和變化。生物學(xué)家認(rèn)為，電在生物體內(nèi)普遍存在，組成生物體的每個(gè)細(xì)胞都是一臺(tái)微型發(fā)電機(jī)。這其中，有一類產(chǎn)電的微生物，它們擁有的電能細(xì)胞，可以通過(guò)與外界環(huán)境進(jìn)行雙向電子和能量傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)多種微生物電催化過(guò)程。

    近日，天津大學(xué)化工學(xué)院宋浩教授團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》雜志在線發(fā)表論文稱，他們創(chuàng)造性地采用合成生物學(xué)方法打通了電能細(xì)胞的“任督二脈”，構(gòu)建胞內(nèi)外高速電子通道，闡明了電能細(xì)胞內(nèi)“電子池”容量是決定電子傳遞速率的關(guān)鍵因素，為提高微生物細(xì)胞外電子傳遞效率，推動(dòng)電能細(xì)胞“變廢為寶”的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了新思路。

    “電子池”容量，影響電子傳遞效率的關(guān)鍵

    如何利用電能細(xì)胞高效率發(fā)電是科學(xué)家們迫不及待想要解決的問(wèn)題。放眼全球，科學(xué)家們大量集中于微生物電池電極材料開(kāi)發(fā)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)等研究，對(duì)電能細(xì)胞這一微生物電催化系統(tǒng)中核心器件的研究及改造尚顯不足。而近十年來(lái)，圍繞這一世界性難題，宋浩教授團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，從電能細(xì)胞電子傳遞機(jī)制出發(fā)，致力于運(yùn)用合成生物學(xué)手段提高電能細(xì)胞的催化效率。

    “我們發(fā)現(xiàn)電能細(xì)胞內(nèi)‘電子池’的容量大小是限制胞外電子傳遞速率的關(guān)鍵因素?！彼魏茖⒓?xì)胞的電子載體NAD+比作細(xì)胞內(nèi)部的“電子池”，其容量的大小直接影響細(xì)胞的產(chǎn)電效率。他們采用自主開(kāi)發(fā)的合成生物學(xué)工具，運(yùn)用模塊化工程改造細(xì)胞的策略，改造了希瓦氏菌的遺傳基因，對(duì)希瓦氏菌的NAD+從頭合成路徑、補(bǔ)救合成路徑、通用合成路徑進(jìn)行了系統(tǒng)的代謝優(yōu)化與重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)提高胞內(nèi)電子載體NAD+的總量，顯著提升了胞外電子傳遞速率。

    針對(duì)電能細(xì)胞合成電子傳遞載體能力有限、形成生物膜能力有限、可利用的底物范圍有限等問(wèn)題，宋浩團(tuán)隊(duì)還做了一系列創(chuàng)新性研究。他們開(kāi)發(fā)出產(chǎn)電菌的基因組編輯新工具CRISPRi，實(shí)現(xiàn)了對(duì)希瓦氏菌中多個(gè)產(chǎn)電基因的同時(shí)調(diào)控，獲得了在基因組水平上改造產(chǎn)電菌的能力；構(gòu)建了電子傳遞載體核黃素（維生素B2）的高效生物合成與傳遞途徑，能有效提高電子傳遞載體介導(dǎo)的電子傳遞效率；利用基因工程改造的產(chǎn)電菌與氧化石墨烯作用，成功構(gòu)建了三維自組裝、高效電活性生物膜，得到了高效的電能輸出效率；并進(jìn)一步構(gòu)建高效的發(fā)酵菌與產(chǎn)電菌組合而成的微生物生態(tài)系統(tǒng)，有效拓展了電能細(xì)胞的底物利用；構(gòu)建了酶輔助的電能細(xì)胞合成體系，以二氧化碳為碳源，水做氫源，電能做能源，合成了可降解高分子材料聚羥基丁酸酯。

    “變廢為寶”，電能細(xì)胞有大用場(chǎng)

    環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)成為人類面臨的難題。開(kāi)發(fā)綠色可再生新能源是替代化石燃料、保護(hù)自然環(huán)境、解決能源短缺、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。以電能細(xì)胞為主導(dǎo)的微生物電催化系統(tǒng)，作為一種新型的綠色新能源生產(chǎn)方式正嶄露頭角。

    微生物電催化過(guò)程通過(guò)電能細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行雙向電子傳遞與能量交換，實(shí)現(xiàn)環(huán)境、能源領(lǐng)域的“變廢為寶”應(yīng)用，如促使有機(jī)廢棄物降解和電能回收的微生物燃料電池；可以用于實(shí)現(xiàn)石油化工、釀造業(yè)及食品加工業(yè)廢水制氫的微生物電解池工藝；還可用于還原溫室氣體二氧化碳，合成高附加值精細(xì)化學(xué)品等的微生物電合成系統(tǒng)等。其在能源、環(huán)境、化工、軍事等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

    電能細(xì)胞的胞外雙向電子傳遞效率低下，目前仍然是限制電能細(xì)胞“變廢為寶”產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要核心瓶頸。宋浩團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能細(xì)胞的電生理與代謝工程改造，提高了電能細(xì)胞的胞外雙向電子傳遞效率，為電能細(xì)胞產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研發(fā)出一套實(shí)用性技術(shù)方法。

    瓶頸仍不少，急需基因調(diào)控工具

    隨著對(duì)電能細(xì)胞胞外電子傳遞機(jī)制理解的不斷加深，以及電能細(xì)胞在產(chǎn)電、產(chǎn)氫、減少碳排放和化學(xué)品生物電合成等領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，電能細(xì)胞的研究逐漸成為合成生物學(xué)研究的熱門方向之一。

    然而限制電能細(xì)胞產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的科學(xué)問(wèn)題及技術(shù)瓶頸依然不少。目前，電能細(xì)胞較低的電子傳遞效率和電催化活性仍然難以滿足工業(yè)需求；人類對(duì)很多電能細(xì)胞在產(chǎn)電和電合成過(guò)程中，胞外電子傳遞和攝取的機(jī)制仍然不清楚，難以實(shí)現(xiàn)提高電子傳遞效率的理性設(shè)計(jì)。

    “我們需要進(jìn)一步深入研究電能細(xì)胞的電子傳遞途徑及其調(diào)控、組裝的分子機(jī)制，從而不斷提高電能細(xì)胞的胞外電子傳遞通量和效率。”宋浩教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

    當(dāng)下，越來(lái)越多的非模式電能細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)，但對(duì)其電活性生理及物質(zhì)能量代謝的分子機(jī)制缺乏系統(tǒng)理解。人類目前掌握的代謝工程和合成生物學(xué)工具仍然非常有限，急需系統(tǒng)開(kāi)發(fā)改造出從基因組水平上對(duì)這些電能細(xì)胞進(jìn)行調(diào)控和編輯的工具。