Nature Communications： 合成生物学强化电能细胞的电子传递速率
北京时间9月7日，天津大学宋浩教授团队在《自然—通讯》杂志（Nature Communications）在线发表了题为“Modular engineering to increase intracellular NAD(H/+) promotes rate of extracellular electron transfer of Shewanella oneidensis”的研究论文，阐明了胞内电子池容量是限制胞外电子传递速率这个微生物电生理领域的重大科学问题，为工程电能细胞提高电子传递效率提供了新思路。该研究成果获得国家重点基础研究发展计划（“973”计划）和国家自然科学基金等项目的支持。
细胞电子传递和能量代谢是驱动细胞生理和代谢的动力源泉。电能细胞（即产电和亲电微生物）通过与外界环境进行双向电子传递和能量代谢，可以实现多种微生物电催化过程，包括微生物燃料电池、微生物电解电池、微生物电发酵和微生物电合成等。这些生物电催化系统极大促进了电能细胞在能源、环境、化工、军事等领域的广泛应用，尤其在海洋微生物燃料电池、生物电催化制氢、温室气体CO2人工光合和生物电合成系统生产高附加值化学品等方面拥有重要应用前景，获得了各国政府、学术界和产业界的高度关注。然而电能细胞的电子传递的低效率成为制约微生物电催化系统产业化应用的核心瓶颈。
针对这一国际难题，前期工作主要集中在电极材料开发、反应器设计等研究，忽视了对微生物电催化剂“电能细胞”这一微生物电催化系统中核心组件的研究。天津大学宋浩教授领导的微生物电催化团队另辟蹊径，采用模块化的合成生物学策略对希瓦氏菌的NAD+从头合成路径、补救合成路径、通用合成路径进行系统的代谢优化与重构，通过提高胞内电子载体NAD(H/+)的总量强化底物消耗速率，显著促进了胞外电子传递速率（图1），系统性阐明了电能细胞的胞内电子池NAD(H/+)的容量是否足够大、胞内电子池是否是限制胞外电子传递速率这两个微生物电生理领域的重大科学问题。
近几年来，宋浩教授团队在合成生物学设计构建电能细胞领域开展了系统研究，取得了系列创新性研究成果（Curr. Opin. Electrochem.,2018,10:37），包括构建了酶辅助的电能细胞电合成系统实现CO2还原并合成可降解高分子材料（ACS Catalysis, 2018, 4429）、开发了高效合成电子传递体的生物合成与传递途径（ACS Synth. Biol., 2015, 4: 815）和产电菌的基因组编辑新工具（ACS Synth. Biol., 2017, 6: 1679）、构建了高效电活性生物膜（AngewandteChemie Int. Ed. 2014, 53: 4480; ACS Nano 2012, 6: 2394; Nano Energy, 2018, 50: 639）、拓展了电能细胞的底物利用谱（Biotechnol.& Biofuels, 2017, 10: 196）、构建高效微生物电发酵混菌生态系统（ACS Catalysis 2015, 5: 6937;AIChEJ. 2017, 63:1830; Energy Environ. Sci. 2017, 10: 1600）。
合成生物学策略理性设计构建NAD+的从头合成、补救合成和通用合成路径。a. 野生希瓦氏菌；b. 工程希瓦氏菌
文章：董维亮
编辑：潘子奇
审核：耿红冉
美编：陈正一
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