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每个电能细胞都是一台微型发电机
来源: 科技日报    时间: 2018-10-23 16:46

  心脏跳动、肌肉收缩、眼睛开闭、大脑思维……人体任何一个细微的活动都与生物电有关,都伴随着生物电的产生和变化。生物学家认为,电在生物体内普遍存在,组成生物体的每个细胞都是一台微型发电机。这其中,有一类产电的微生物,它们拥有的电能细胞,可以通过与外界环境进行双向电子和能量传递来实现多种微生物电催化过程。

  近日,天津大学化工学院宋浩教授团队在《自然·通讯》杂志在线发表论文称,他们创造性地采用合成生物学方法打通了电能细胞的“任督二脉”,构建胞内外高速电子通道,阐明了电能细胞内“电子池”容量是决定电子传递速率的关键因素,为提高微生物细胞外电子传递效率,推动电能细胞“变废为宝”的产业化发展提供了新思路。

  “电子池”容量,影响电子传递效率的关键

  如何利用电能细胞高效率发电是科学家们迫不及待想要解决的问题。放眼全球,科学家们大量集中于微生物电池电极材料开发、反应器设计等研究,对电能细胞这一微生物电催化系统中核心器件的研究及改造尚显不足。而近十年来,围绕这一世界性难题,宋浩教授团队另辟蹊径,从电能细胞电子传递机制出发,致力于运用合成生物学手段提高电能细胞的催化效率。

  “我们发现电能细胞内‘电子池’的容量大小是限制胞外电子传递速率的关键因素。”宋浩将细胞的电子载体NAD+比作细胞内部的“电子池”,其容量的大小直接影响细胞的产电效率。他们采用自主开发的合成生物学工具,运用模块化工程改造细胞的策略,改造了希瓦氏菌的遗传基因,对希瓦氏菌的NAD+从头合成路径、补救合成路径、通用合成路径进行了系统的代谢优化与重构。实验表明,通过提高胞内电子载体NAD+的总量,显著提升了胞外电子传递速率。

  针对电能细胞合成电子传递载体能力有限、形成生物膜能力有限、可利用的底物范围有限等问题,宋浩团队还做了一系列创新性研究。他们开发出产电菌的基因组编辑新工具CRISPRi,实现了对希瓦氏菌中多个产电基因的同时调控,获得了在基因组水平上改造产电菌的能力;构建了电子传递载体核黄素(维生素B2)的高效生物合成与传递途径,能有效提高电子传递载体介导的电子传递效率;利用基因工程改造的产电菌与氧化石墨烯作用,成功构建了三维自组装、高效电活性生物膜,得到了高效的电能输出效率;并进一步构建高效的发酵菌与产电菌组合而成的微生物生态系统,有效拓展了电能细胞的底物利用;构建了酶辅助的电能细胞合成体系,以二氧化碳为碳源,水做氢源,电能做能源,合成了可降解高分子材料聚羟基丁酸酯。

  “变废为宝”,电能细胞有大用场

  环境污染和能源短缺已经成为人类面临的难题。开发绿色可再生新能源是替代化石燃料、保护自然环境、解决能源短缺、实现可持续发展的必经之路。以电能细胞为主导的微生物电催化系统,作为一种新型的绿色新能源生产方式正崭露头角。

  微生物电催化过程通过电能细胞与外界环境进行双向电子传递与能量交换,实现环境、能源领域的“变废为宝”应用,如促使有机废弃物降解和电能回收的微生物燃料电池;可以用于实现石油化工、酿造业及食品加工业废水制氢的微生物电解池工艺;还可用于还原温室气体二氧化碳,合成高附加值精细化学品等的微生物电合成系统等。其在能源、环境、化工、军事等领域具有广泛应用前景。

  电能细胞的胞外双向电子传递效率低下,目前仍然是限制电能细胞“变废为宝”产业化应用的主要核心瓶颈。宋浩团队利用合成生物学,实现对电能细胞的电生理与代谢工程改造,提高了电能细胞的胞外双向电子传递效率,为电能细胞产业化应用研发出一套实用性技术方法。

  瓶颈仍不少,急需基因调控工具

  随着对电能细胞胞外电子传递机制理解的不断加深,以及电能细胞在产电、产氢、减少碳排放和化学品生物电合成等领域的不断应用,电能细胞的研究逐渐成为合成生物学研究的热门方向之一。

  然而限制电能细胞产业化应用的科学问题及技术瓶颈依然不少。目前,电能细胞较低的电子传递效率和电催化活性仍然难以满足工业需求;人类对很多电能细胞在产电和电合成过程中,胞外电子传递和摄取的机制仍然不清楚,难以实现提高电子传递效率的理性设计。

  “我们需要进一步深入研究电能细胞的电子传递途径及其调控、组装的分子机制,从而不断提高电能细胞的胞外电子传递通量和效率。”宋浩教授告诉科技日报记者。

  当下,越来越多的非模式电能细胞被发现,但对其电活性生理及物质能量代谢的分子机制缺乏系统理解。人类目前掌握的代谢工程和合成生物学工具仍然非常有限,急需系统开发改造出从基因组水平上对这些电能细胞进行调控和编辑的工具。(记者 孙玉松 通讯员 赵习钧)

(责任编辑:张 雯)
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