天大李锋/宋浩团队CEJ：阐明电能细胞形态促进胞外电子传递机制

细胞分裂和周期作为重要的生理指标，对细菌的物质代谢有显著影响，如生长速率、代谢活性以及营养摄取速率等。基于细胞分裂和周期的形态工程策略已广泛应用于开发各类微生物细胞工厂。然而，细胞分裂及其周期对电能细胞电生理，如胞内电子生成、胞外电子传递和生物膜形成的具体调控机制尚未被系统地阐明。

2024 年 6 月，天津大学李锋/宋浩团队在Chemical Engineering Journal期刊发表题为“Accelerating cell division of Shewanella oneidensis to promote extracellular electron transfer rate for efficient pollution treatment”文章，阐明电能细胞形态工程促进胞外电子传递机制，该研究首次通过合成生物学形态工程策略促进希瓦氏菌分裂，从胞内电子生成、跨膜电子传递、以及电活性生物膜形成三个角度，系统地解析了细胞变小提高电子传递的具体机制，所构建的工程菌在实际场景展现优越的性能，为工程改造提高电子传递提供了新策略。

天津大学化工学院博士研究生蔚欢为文章的第一作者。李锋副教授和宋浩教授和为本文的共同通讯作者，此项目得到了国家重点研发专项基金（2018YFA0901300），国家自然科学基金项目（NSFC 32071411, 32001034 和 22378305）的支持。

为探究细胞分裂周期对电子传递影响和作用机制，首先通过模块化工程策略，过表达 C 期模块的核酸还原酶加快 DNA 复制，结果显示同时过表达好氧核酸还原酶 NrdA 和 NrdB 的效果最佳；进一步通过过表达 D 期模块分裂蛋白和阻止分裂抑制剂合成来加速细胞分裂，结果显示过表达 Z 环核心蛋白FtsZ效果最佳；通过模块组装上述模块，细胞体积缩小了 75.9%，接近于球形结构，产电功率密度提高了 3.12 倍。

在此基础上，进一步结合细胞电生理和转录组学表征，系统地解析了细胞变小提高胞外电子传递的机制，即加快细胞分裂可以通过促进胞内代谢以及提高核黄素合成分泌，来提高胞内电子生成速和促进间接电子传递。同时，促进细胞分裂还可以加快细胞电趋化运动和黏附提高电活性生物膜形成。

最终通过强化核黄素合成和外排，进一步提升了间接电子传递效率，将功率密度提升至 WT 的 21.1 倍。最终，变小工程具有更高的铬还原和偶氮染料降解能力。

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