科學家在合成生物學強化微生物電催化領域取得重要突破

近日，天津大學宋浩教授團隊在《自然—通訊》雜志（Nature Communications）在線發表了題為“Modular engineering to increase intracellular NAD(H/+) promotes rate of extracellular electron transfer of Shewanella oneidensis”的研究論文，闡明了胞內電子池容量是限制胞外電子傳遞速率這個微生物電生理領域的重大科學問題，為工程電能細胞提高電子傳遞效率提供了新思路。該研究成果獲得國家重點基礎研究發展計劃（“973”計劃）和國家自然科學基金等項目的支持。   

細胞電子傳遞和能量代謝是驅動細胞生理和代謝的動力源泉。電能細胞（即產電和親電微生物）通過與外界環境進行雙向電子傳遞和能量代謝，可以實現多種微生物電催化過程，包括微生物燃料電池、微生物電解電池、微生物電發酵和微生物電合成等。這些生物電催化系統極大促進了電能細胞在能源、環境、化工、軍事等領域的廣泛應用，尤其在海洋微生物燃料電池、生物電催化制氫、溫室氣體CO2人工光合和生物電合成系統生產高附加值化學品等方面擁有重要應用前景，獲得了各國政府、學術界和產業界的高度關注。然而電能細胞的電子傳遞的低效率成為制約微生物電催化系統產業化應用的核心瓶頸。    針對這一國際難題，天津大學宋浩教授團隊采用模塊化的合成生物學策略對希瓦氏菌的NAD+從頭合成路徑、補救合成路徑、通用合成路徑進行系統的代謝優化與重構，通過提高胞內電子載體NAD(H/+)的總量強化底物消耗速率，顯著促進了胞外電子傳遞速率，系統性闡明了電能細胞的胞內電子池NAD(H/+)的容量是否足夠大、胞內電子池是否限制胞外電子傳遞速率這兩個微生物電生理領域的重大科學問題。