电活性微生物奥奈达希瓦氏菌的胞外电子传递(extracellular electron transfer,EET)在污染物降解、环境修复、生物电化学传感、能源利用等方面具有广泛的应用潜力;四血红素细胞色素CctA(small tetraheme cytochrome)是希瓦氏菌周质空间中最丰富的蛋白质之一,能够参与多种氧化还原过程,但目前对CctA在EET中的行为和机理认识仍然有限.[目的]研究阐明CctA蛋白在希瓦氏菌模式菌株MR-1周质空间以偶氮染料作为电子受体的EET中的作用,补充和拓展希瓦氏菌的厌氧呼吸产能机制.[方法]以周质还原型偶氮染料甲基橙(methyl orange,MO)作为电子受体,在mteal reduction(Mtr)蛋白缺失菌株△mtr中研究MO的周质还原特点,并通过基因敲除和回补表达研究CctA蛋白在周质电子传递中的作用.[结果]在缺失Mtr通道的情况下,细胞色素CctA可以介导周质空间的电子传递而还原MO.重组表达CctA在低水平时,MO在周质空间中的还原速率与其表达水平呈正相关,更高水平的CctA表达无助于进一步提高MO的还原速率.蛋白膜伏安结果展示了 CctA与周质空间内其他高电位氧化还原蛋白的显著区别,可能参与构成一条低电位的MO还原通道.[结论]从分子动力学层面揭示了 CctA在周质MO还原中的独特电子传递行为,为进一步推进对细菌周质电子传递机制的理解,以及通过合成生物学设计或改造胞外氧化还原系统、强化生物电化学在污染物降解中的应用提供了重要信息.

微生物胞外呼吸是厌氧环境中控制性能量代谢方式,直接驱动着C、N、S、Fe等关键元素的生物地球化学循环.微生物纳米导线(Microbial nanowires)的发现,被认为是微生物胞外呼吸的里程碑事件,推动了电微生物学(Electromicrobiology)的形成与发展.微生物纳米导线是一类由微生物合成的,具有导电性的纤维状表面附属结构.通过细菌纳米导线,微生物胞内代谢产生的电子可以长距离输送到胞外受体或其他微生物,改变了电子传递链仅仅局限于细胞胞内的认识,从而大大拓展了微生物-胞外环境互作的范围.微生物纳米导线的良好导电性,赋予了其作为天然纳米材料的广阔应用前景.目前,微生物纳米导线的导电机制、生态功能及其在生物材料、生物能源、生物修复及人体健康多领域的应用,已经成为新兴电微生物学的前沿与热点.然而,微生物纳米导线的生物学、生态学功能尚不清楚,它的电子传递机制仍存在分歧.本文在系统性总结微生物纳米导线性质、功能的基础上,以Geobacter sulfurreducens和Shewanella oneidensis纳米导线为模型,详细阐述了纳米导线的组成与结构、表征与测量方法、导电理论(类金属导电学说与电子跃迁学说)及其潜在的应用,最后提出了未来微生物纳米导线研究的重点方向、挑战与机遇.

产电微生物的胞外电子转移在能源、环境等诸多领域有着非常重要的应用价值.希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)作为模式产电微生物,其电催化系统引起了广泛的研究.黄素作为S.oneidensis重要的电子载体,其介导的胞外电子转移是电子传递过程中的一个限速步骤.然而自然环境中野生型S.oneidensis的黄素分泌量极低,对其工程改造也存在一定的局限性,因而严重阻碍了胞外电子的传递过程,这已成为限制其电子转移的主要瓶颈.基于S.oneidensis黄素介导的电子转移机制,系统地从黄素的合成路径及转录调控的角度阐明了黄素合成的调控因素,并综述近年来利用代谢工程、合成生物学以及电极材料修饰等方法来提高黄素介导电子转移的工程化策略,未来可利用一些系统的研究方法和表达工具来加速产电微生物黄素介导的胞外电子转移.

[目的]Shewanella oneidensis MR-1是电活性模式微生物,但目前仍缺乏对其细胞及生物膜形貌变化的系统研究,本研究旨在完善对其形貌特征的理解,为支持其作为模式微生物提供有力的基础数据.[方法]选取培养基类型、缓冲液浓度、维生素、微量元素、无机盐、电子穿梭体、电子供体、电子受体等培养条件作为变量,采用恒电位培养法获得生物膜,通过扫描电子显微镜对生物膜形貌进行观察.[结果]低浓度缓冲液中(30mmol/L和100mmol/L),其细胞多为短杆状,高浓度缓冲液中(200 mmol/L和300 mmol/L)细胞卷曲伸长;缺乏维生素、微量元素、无机盐则可使生物膜紧贴电极生长,变得致密;而穿梭体和电子受体对于S.oneidensis MR-1极为关键,前者的存在可显著促进生物膜的厚度,后者的缺失可迫使生物膜细胞裂解;此外,通过形貌研究发现,S.oneidensis MR-1可首尾相连形成超过100μm的长线状结构.[结论]可通过改变缓冲液浓度、培养基类型、电子穿梭体和电子供受体等变量,实现Shewanella oneidensis MR-1电极生物膜及细胞形貌的调控.