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宋浩教授与Green Carbon | 电能细胞设计构建

已有 324 次阅读 2025-10-9 18:10 |个人分类:2024全国绿碳科学会议|系统分类:科研笔记

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2024年10月17日-19日，2024全国绿碳科学会议在青岛召开。天津大学宋浩教授应邀出席，并作题为“电能细胞设计构建”的特邀报告。

电能细胞设计构建

背景介绍

电活性微生物已广泛应用于微生物电化学技术领域，在碳中和（如能源、环境）、环境污染的生物处理与电能生产、生物传感、微生物冶金及化学品的微生物电合成等多个领域发挥着重要作用，成为全球环境保护和低碳经济的研究热点。在本次特邀报告中，宋浩教授系统介绍了研究组在电能细胞设计与构建方面的工作进展。通过对产电细胞的产电机制进行系统研究，研究组从再造胞外电子传递载体、构建自组装生物被膜、以及“发酵菌-产电菌”混菌生态系统等角度，在微观、介观和宏观尺度上理性设计和构建高效电能细胞。

宋浩教授在2024全国绿碳科学会议“绿色生物制造专场”作特邀报告

报告内容介绍

1 单细胞水平上工程电细胞电能细胞策略

产电微生物与电极之间的电子传递机制主要包括三种途径：（i）通过细胞色素蛋白实现微生物与电极之间的导电；（ii）依赖电子传递载体介导的间接电子传递与电极进行电子交换；（iii）微生物在电极表面形成生物膜后，通过导电鞭毛与电极实现直接的导电接触。导致电能细胞电能回收效率低的主要原因包括：电子生成通量低，以及电子跨膜和胞外传递速率慢。为了克服电细胞在“电子载体”合成与传递效率低下方面的瓶颈，研究团队根据上述电子传递机制，通过加速底物消耗、提高细胞还原力、合成电子载体以及加快电子载体传递等方法，对产电微生物进行了改造，以增强其电子传递效率和电能输出能力。

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F-PE和sF-2PE的合成路线及电负性计算结果（Adv.Mater.2024,36,2313099）

2 电能细胞基因编辑工具开发

在电能细胞机理研究及其实际应用中，需要大量的基因工程操作。然而，像希瓦氏菌等电活性微生物作为非模式菌株，利用传统基因编辑方法存在操作复杂且编辑效率低下等问题。研究团队针对这一问题，开发了专门针对电能细胞的基因编辑工具。

首先，通过对质粒表达元件的筛选与优化，研究团队建立了具有广泛适应性的质粒表达系统，并开发了一种耦合转录和翻译的CRISPRi-sRNA系统，此系统能够同时实现对基因的激活和抑制，最多可同时调控十个基因的表达。同时，研究团队还推出了单碱基编辑工具箱，该工具箱能够在基因组层面上同时编辑多达8个基因，确保了基因沉默的高效性、简便性和快速性。将基因组编辑器从1.0版本提升到2.0版本。这些基因编辑工具的开发，为电能细胞的合成生物学改造奠定了坚实的基础。

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3 合成生物学设计构建人工电能细胞

电能细胞（Shewanella, Geobacter等）拥有超过40种多血红素细胞色素，位于细胞内膜、周质空间和外膜，以捕获-运输电子和能量。多血红素细胞色素主要通过“原色素蛋白合成与分泌”、“血红素合成”、“血红素传递”及“血红素-原色素蛋白装配”等四个模块实现合成与成熟。通过对这些模块的优化控制，研究团队成功提高了细胞的电子传递效率。

此外，电子传递载体（如黄素单核苷酸FMN、吩嗪类化合物等）在胞外电子传递过程中发挥了关键作用。研究组构建了吩嗪类（PCA）的生物合成路径，并通过挖掘181条PCA生物合成基因簇，确定了来自铜绿假单胞菌（Pseudomonas. aeruginosa PAO1）的基因簇具有最高的合成效率。结合启动子工程，PCA的最高表达量达到了75.9 μM。值得注意的是，PCA的过量表达对细胞具有毒害作用，但是通过对外膜孔蛋白和内膜外排泵优化可以加速PCA的转运，从而提高细胞胞外电子传递，研究组通过优化PCA生物传感器响应时间和响应强度，以及优化PCA生物传感器耦合PCA合成与传递，最终使得产电菌的功率密度达到3.5 W/m²，是野生型的31倍。

为了进一步提高胞外电子传递速率，研究团队强化了NAD⁺合成的三条路径，使胞内NAD⁺的含量提高了3.5倍。同时，还通过纳米导线介导的远距离电子传递技术，提高了细胞与电极表面的初始粘附能力，这些措施均有助于提升胞外电子传递的速率。在细胞形态方面，研究组进行了形态工程的改造，通过过表达细胞分裂抑制剂和反义RNA抑制分裂蛋白的表达，成功构建出长度达到139.1 μm的纤维状电能细胞，体积增加了208倍，功率密度提升至364 mW/m²，为野生型的5倍。

研究组还将酵母细胞与希瓦氏菌共培养，构建了共生混菌微生物电催化系统。在此系统中，通过基因编辑使酵母产生乳酸，供希瓦氏菌利用，从而实现了电子传递的多样化，解决了产电菌碳源谱利用狭窄的问题，并有效提高了库伦效率。

专家介绍

宋浩教授

宋浩，天津大学化工学院教授，博士生导师。入选国家级领军人才计划项目。担任中国生物工程学会合成生物学专业委员会副主任。研究方向是合成生物学与光电遗传学、生物制药。近年主持国家合成生物学重点研发项目、国家高技术研究发展计划课题、国家自然科学基金、国家海洋局等项目十余项。在Nature Chem. Biol.、Nature Commun.、Energy and Environ. Science 等期刊发表文章130多篇。担任Frontiers in Bioeng. and Biotech. 副主编，Adv. Biosystems、Engineering Biology、《合成生物学》等期刊编委。