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    解密可提升储电效率的基因线路,微生物电池5年内取代现有电池?

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      任务小子

        用电鳗发电似乎是一种异想天开,但利用微生物发电并不是新鲜事。

        早在 1910 年,英国科学家马克 比特就发现了微生物的培养液能够产生电流,并成功制造出了世界第一块微生物电池。1962 年,美国科学家弗 斯勒带领团队研制出一部以微生物为电池的无线电发报机。

        随着合成生物学技术的应用,产电微生物的研究更加工程化,2018 年我国科技部发布的 “合成生物学” 重点专项中也将 “电能细胞设计与构建” 列为了重点研究项目。

        微生物电池也被众多学者视为新型电池中最具潜力的一个。

        产电微生物

        其实在生物体内,时时刻刻都在产生 “电”,细胞的有氧呼吸就涉及电子的传递,而利用微生物产电的原理与之相似。

        产电微生物可以代谢有机底物,将电子传递给胞内的 NAD+、FAD 生成 NADH、FADH2,或存储在丙酮酸、甲酸等中间代谢物中,共同构成了产电微生物的胞内可释放电子池。

        随后,在一系列酶的催化下,中间代谢物汇入位于细胞内膜的醌池中,经过甲基萘醌脱氢酶释放,实现电子的胞内生成,并最终通过胞外电子传递系统传递到胞外电子受体 [1]。

      解密可提升储电效率的基因线路,微生物电池5年内取代现有电池?

        图丨产电细胞电子生成和传递(来源:产电细胞的合成生物学设计构建)

        产电微生物在自然界分布广泛,随着微生物筛选技术的进步,更多产电微生物也被逐渐发掘。

        其优势之一是自身产出的电能可以被用于加速生物反应,以污水处理为例,微生物可以利用污水中的有机物产生电子,理论上,如果通过电极连接,可以在水中形成电流回路,当电流强度达到一定的值时,便可利用电解水的方法处理污水,形成良性循环。

        这一特性是以产电微生物为主体的生物智能合成和生物电催化领域的核心,为绿色可持续性生产新能源或大宗精细化学品的生产提供了新思路 [1]。

        但如同所有合成生物学底盘细胞一样,野生型的产电微生物缺点也很明显,可利用底物谱窄、底物摄取代谢强度弱,胞内电子池容量小、胞外电子传递速率慢等等 [1]。

        这些都是合成生物学家正在解决的问题。

        解密电子摄取基因线路

        有电能的产生,就会有电能的存储,今年 8 月,美国辛辛那提大学生物科学系 Annette R Rowe 团队和康奈尔大学生物与环境工程系 Buz Barstow 团队在Communications Biology上刊文,提出了一种利用细菌(Shewanella oneidensis)进行电子摄取的基因线路。

      解密可提升储电效率的基因线路,微生物电池5年内取代现有电池?

        图丨蓝色线路为产电路线,紫色线路为电子摄取路线,实线为已知路线,虚线为猜想。(来源:研究论文)

        Barstow 介绍道,“S. oneidensis是一种广泛使用的模式产电微生物,而越来越多的研究表明它可以逆转其细胞外电子转移途径,吸收氧化反应产生的电子,从而形成一个带电的能量储存器,就好像整个细胞都有电荷一样。”

        这项研究的目标就是找出细菌电子摄取的具体基因线路,为此,该团队首先将细菌基因组中非必需基因约 99% 的基因(约 3667 个)分别敲除,再进行细胞电子摄取实验,以此筛选与储能相关的基因。

        该团队还专门建立了一种比色筛选方法,简单来说,就是利用一种失去电子会变色的物质作为底物,可以通过颜色的变化判断细胞是否摄取了电子。

      解密可提升储电效率的基因线路,微生物电池5年内取代现有电池?

        图丨利用比色法筛选电子摄取相关基因(来源:研究论文)

        最终,该团队筛选出了 5 个与电子摄取的相关基因,还发现这些基因在Shewanella种属的基因组中高度保守。

        对于这一基因线路的应用,Barstow 表示,他正在设计一种可以将有机分子转化为生物燃料的细菌,目前有两种想法:一是将上述 5 个基因转入到现有的工程菌细菌中,提高生物反应转化效率;二是以S. oneidensis为底盘细胞,利用电极使其将二氧化碳转化为甲酸等物质。

        微生物电池还有多久能取代现有的电池?Barstow 表示,“如果我们获得资金,它可能只需要五年时间就能实现。”

        合成生物学手段加速了产电微生物的改造,尽管当前的研究还停留在微生物水平,或许有一天,电鳗经过改造也能够成为稳定的电源,而将人体稍加改造,或许每个人都能成为 “闪电侠”。

        参考资料:

        1.赵贞尧, 张保财, 李锋, 宋浩. 产电细胞的合成生物学设计构建[J]. 化工学报, 2021, 72(1): 468-482

        2. 链接

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