1937 年諾貝爾獎生理學家 Albert Szent-Gyorgyi 曾說：“Life is nothing but an electron looking for a place to rest（生命只不過是電子尋找休憩之地的過程）”。所有的生命細胞都依賴氧化還原反應來產生能量，即電子從供體釋放（氧化），經過電子傳遞鏈被受體（還原），這一些列電子傳遞過程最終產生細胞通用能量貨幣 ATP。人類等哺乳動物細胞依賴胞內電子傳遞過程進行“胞內有氧呼吸”，同樣電能微生物細胞依賴胞外電子傳遞過程進行“胞外電極呼吸”。

圖 | 胞內電子和胞外電子傳遞的區別

電能細胞是一類能夠與外界環境進行雙向電子交換的微生物，基于電能細胞雙向電子傳遞和能量交換機理構建的微生物電催化系統，為滿足環境生態修復、“雙碳”減排、綠色生物制造等國家能源和環境領域的重大需求，提供了極具發展潛力的解決方案。然而，電子在傳遞過程中往往存在胞內通量小、跨膜速率慢、界面定向差等關鍵問題，導致了電能細胞的物質-能量轉化效率差、電子傳遞效率低，影響了微生物電催化系統的催化效率。

針對上述關鍵問題，天津大學合成生物技術全國重點實驗室李鋒/宋浩團隊在先前的工作中分別針對電能細胞底物譜范圍窄、電子池容量小導致胞內電子通量小的問題，創新性提出了底物譜工程和電子池工程調控策略，擴大了胞內電子通量。同時，針對電能細胞在電極表面形成生物膜能力弱導致胞外電子傳遞定向差的問題，開發了基于生物膜生命周期工程和細胞形態工程調控技術，增強生物膜形成過程中細胞-電極間、細胞-細胞間界面作用，實現了電子到電極的靶向傳遞。

然而，細胞膜的絕緣雙層磷脂分子層仍嚴重阻礙電能細胞的電子雙向跨膜傳遞。雖然該研究團隊先前已經通過挖掘篩選不同導電色素蛋白和導電蛋白簇，構建了電子傳遞效率高的人工導電色素蛋白通道和蛋白納米線，提高了電能細胞跨膜電子流速。然而，電子載體介導胞外電子傳遞的機制不清晰、電子傳遞載體濃度低、合成-傳遞不平衡，導致電子跨膜傳遞阻力大，限制了電子跨膜傳遞速率。

近日，李鋒/宋浩團隊在 Nature Communications 發表了題為“Dynamic synthesis and transport of phenazine-1-carboxylic acid to boost extracellular electron transfer rate”的研究論文，通過闡明電子傳遞載體基于濃度依賴型的電子傳遞機制，開發了響應胞內電子傳遞載體濃度的傳感器，解耦了電子傳遞載體的高效定量合成和實時跨膜傳遞過程，突破了電子傳遞載體的合成和耐受濃度極限，顯著降低了電子跨膜傳遞的阻力，獲得了電子傳遞載體介導的世界報道電子傳遞速率最高值。天津大學化工學院李鋒副研究員和東北大學生科院張保財副教授為論文共同第一作者，宋浩教授為論文通訊作者。

挖掘、篩選和構建高效電子傳遞載體吩嗪-1-羧酸（PCA）合成路徑。

圖 | 挖掘、篩選和構建高效電子傳遞載體吩嗪-1-羧酸（PCA）合成路

為篩選高效電子傳遞載體，本研究從吩嗪類化合物（PCA、PCN、PYO）、黃素類化合物（RF、FMN、FAD）以及蒽醌類化合物（AQDS、AQS、2-HNQ）中分別選取三種典型化合物并設置濃度梯度用于測試其電子傳遞速率，發現外源添加 PCA 濃度在 80 μM 時，介導的電能細胞產電最大功率密度達 3382.13 ± 37.54 mW m-2 。為進一步在電能細胞中構建 PCA 生物合成途徑，從 9 株 PCA 天然合成菌株中挖掘到 11 條 PCA 生物合成基因簇，通過異源表達，構建得到 PCA 合成重組菌株 SC7，PCA 合成濃度達到 8.72 ± 0.76 μM，最大輸出功率密度達到 1185.93 ± 63.46 mW m-2，相比于野生電能細胞（84.30 ± 2.53 mW m）提高 14.07 倍。為了使合成的 PCA 達到最優介導濃度，進一步通過啟動子工程，篩選高強度啟動子 Ptac 提高 PCA 合成基因簇表達強度，合成的 PCA 濃度達到 72.74 ± 4.30 μM，最大輸出功率密度達到 1757.87 ± 28.91 mW m-2。

工程電能細胞細胞膜通透性強化電子傳遞載體 PCA 傳遞。

圖 | 工程細胞膜通透性強化電子傳遞載體 PCA 傳遞

為加速 PCA 跨膜傳遞，進一步挖掘篩選內膜外排泵與外膜孔蛋白，增強細胞膜通透性。作者挖掘到 6 個外膜孔蛋白與 4 個內膜外排泵。利用希瓦氏菌 pYYDT&pHG13 雙質粒表達系統，高效組裝 PCA 合成模塊與 PCA 傳遞模塊，構建得到 10 種重組菌株 SP1-SP10。其中 SP1 菌株（Ptac-phzABCDEFG 和 PlacUV5-oprF）通過過表達外膜孔蛋白 OprF 有效提高了胞外電子傳遞速率，最大輸出功率密度達到 2262.45 ± 10.92 mW m，較其母系菌株 SO3 提高 1.29 倍。然而與 SO3 菌株相比，SP1 細胞呈現較高比例的死細胞。并且 SP1 菌株在 15 h 左右細胞生長達到平臺期，最大細胞密度（OD600）達到 0.91，相比之下，SO3 菌株在 12.5 h 左右生長達到平臺期，最大 OD600 穩定在 1.03。這些結果表明過表達外膜孔蛋白 OprF，重組菌株 SP1 細胞代謝受到影響，導致細胞生長緩慢，死細胞比例提高，抑制 PCA 合成。作者推測，這可能是由于細胞生長前期同時進行 PCA 合成與孔蛋白表達兩個過程，孔蛋白 OprF 作為膜蛋白，其過早表達可能會引發重組菌株代謝負荷，產生細胞毒性，因此抑制電能細胞生長。

動態解耦 PCA 生物合成和轉運成功緩解孔蛋白的細胞毒性。

為了解決孔蛋白 OprF 引發的細胞毒性，本研究提出動態調控工程策略對 PCA 合成與傳遞進行解耦。即在 PCA 初始合成階段，胞內 PCA 濃度較低，細胞僅合成 PCA 而不表達孔蛋白 OprF。當胞內合成的 PCA 積累到一定濃度時，利用 PCA 生物傳感器感應胞內 PCA 濃度，調控開啟孔蛋白 OprF 表達，加速 PCA 傳遞。本研究挖掘篩選到響應氧化還原壓力傳感器 PsoxR-soxR-PsoxS，該傳感器由組成型啟動子 PsoxR、效應蛋白 SoxR以及誘導型啟動子 PsoxS 三部分組成，組成型啟動子 PsoxR 驅動效應蛋白 SoxR 表達，含有[Fe-S]的效應蛋白 SoxR 形成二聚體，與誘導型啟動子 PsoxS 結合。效應蛋白 SoxR 二聚體中的[2Fe-2S]可被 PCA 氧化，導致二聚體蛋白構象轉變，進而活化誘導型啟動子 PsoxS 驅動下游基因表達，使其作為 PCA 生物傳感器感應胞內 PCA 濃度。隨后，將外膜孔蛋白 OprF 連接在 PCA 生物傳感器 PsoxR-soxR-PsoxS 下游，并組裝在質粒表達載體 pHG13 中，構建得到重組菌株 SD1（pYYD-Ptac-phzABCDEFG 和 pHG13-PsoxR-soxR-PsoxS-oprF）得到重組菌株 SD1。進一步通過定點突變優化傳感器核心序列（突變體 SDV3），使 OprF 表達時機與 PCA 積累同步，有效解決了 PCA 代謝帶來的細胞毒性問題。其中 SDV3 輸出最大功率密度最高，較 SP1（2262.54 ± 10.92 mW m-2）提高了 1.26 倍。以上結果證明，動態解耦 PCA 生物合成和轉運緩解孔蛋白 OprF 導致的細胞毒性，能夠有效提高重組菌株的胞外電子傳遞速率。

圖 | 動態解耦 PCA 生物合成和轉運成功緩解孔蛋白的細胞毒性

闡明 PCA 介導的電能細胞電生理調控機制。

為闡明 PCA 增強電能細胞胞外電子傳遞機制，作者結合體外氧化動力學、差分脈沖伏安掃描、蛋白分子對接模擬、色素蛋白定點突變等對細胞電生理、細胞代謝與細胞行為進行了研究。首先通過分別和聯合敲除外膜色素蛋白 MtrC 或 OmcA 證明了 PCA 依賴外膜細胞色素 MtrC 和 OmcA 捕獲電子。停留光譜實驗測定其體外氧化動力學反應，證實 PCA 通過 MtrC 或 OmcA 傳遞電子。進一步利用差分脈沖伏安掃描揭示 PCA 分子胞外電子傳遞為濃度依賴型：在低濃度時，PCA 分子作為輔因子，與外膜色素蛋白OmcA、MtrC 結合形成復合體介導胞外電子傳遞；在高濃度時，由于結合位點飽和，冗余的 PCA 分子通過分子擴散介導電子傳遞。差分脈沖伏安結果顯示，自由態 PCA 特征峰為-0.366 V，低濃度 PCA 在菌體中峰位移至-0.218 V（輔因子結合態），隨濃度升高逐漸恢復至自由態峰位。而在色素蛋白缺失突變菌株 WTΔmtrC 與 WTΔomcA 中，細胞膜外色素蛋白的缺失導致 PCA 結合位點變少，隨著 PCA 濃度提高，色素蛋白缺失突變菌株中 PCA 結合位點比野生型電能細胞更快的達到飽和，剩余的 PCA 分子以自由態通過分子擴散介導胞外電子傳遞。為進一步探明 PCA 分子與外膜色素蛋白 MtrC、OmcA 相互作用位點，通過分子對接模擬，分析、預測了潛在作用位點，進一步通過氨基酸定點突變驗證了這些潛在的作用位點。

圖 | 闡明 PCA 介導的電能細胞電生理調控機制

解析 PCA 介導的電能細胞細胞代謝與細胞行為調控機制。

圖 | 解析 PCA 介導的電能細胞細胞代謝與細胞行為調控機制

作者進一步結合細胞轉錄組學分析和生化實驗表征，首次證明 PCA 分子能夠增強胞內信號分子 cAMP 合成、提高 cAMP 胞內濃度。胞內 cAMP 水平的提高將激活乳酸代謝、色素蛋白合成相關基因表達，減緩細胞表層黏附蛋白分解，從而加強電子供體乳酸代謝、促進細胞導電色素蛋白表達以及增強導電生物膜形成，由此提高了重組菌株 SDV3 的胞外電子傳遞。研究結果表明，PCA 作為電子傳遞載體與外膜色素蛋白 MtrC 和 OmcA 相互作用介導電子傳遞是 PCA 增強希瓦氏菌胞外電子傳遞的主要機制途徑，而 PCA 增強優化希瓦氏菌細胞代謝和生物膜形成，則是增強胞外電子傳遞的次要機制途徑。

綜上，本研究通過系統地篩選比對，挖掘到來自吩嗪類高效電子傳遞載體 PCA，進一步通過開發和優化 PCA 生物傳感器，設計構建了 PCA 合成控制開啟 PCA 傳遞的動態調控基因線路，動態解耦了 PCA 合成與傳遞過程，成功在電能細胞希瓦氏菌菌中構建了 PCA 介導的高效電子傳遞途徑，工程菌株輸出功率密度達到 2.85 ± 0.10 W m-2，是當前報道的功率密度最高的重組希瓦氏菌。進一步在此基礎上系統解析和闡明了 PCA 增強希瓦氏菌胞外電子傳遞的細胞電生理機制和細胞代謝與行為調控機制。

該工作得到了國家重點研發計劃(2024YFC3407000和2018YFA0901300)、國家自然科學基金(NSFC 22378305、32071411、22478293和32001034)、天津市科技計劃項目(24JCYBJC01120)和海河實驗室可持續化學轉化(24HHWCSS00004)項目的支持。

1. Li, F., Zhang, B., Long, X. et al. Dynamic synthesis and transport of phenazine-1-carboxylic acid to boost extracellular electron transfer rate. Nat Commun 16, 2882 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57497-z

免責聲明：本文旨在傳遞合成生物學最新訊息，不代表平臺立場，不構成任何投資意見和建議，以官方/公司公告為準。本文也不是治療方案推薦，如需獲得治療方案指導，請前往正規醫院就診。