电发酵工程改造希瓦氏菌实现阴极驱动丙酮酸生物电化学还原合成d-乳酸

研究团队针对希瓦氏菌MR-1在电极电子传递过程中胞内还原反应机制不明的问题，通过构建甲酸脱氢酶缺陷株（ΔFDH），结合-0.36 V阴极电位调控，首次揭示该菌通过醌依赖型Dld和NADH依赖型LdhA双通路将丙酮酸还原为d-乳酸的完整电发酵机制，为微生物电合成系统设计提供新思路。

　　

在微生物电化学领域，希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）MR-1因其独特的双向胞外电子传递（Extracellular Electron Transfer, EET）能力备受关注。这种革兰氏阴性菌能够与电极直接交换电子，理论上可通过电发酵（Electro-Fermentation, EF）将电能转化为高附加值化学品。然而，当MR-1从阴极获取电子时，这些电子如何在胞内驱动特定生化反应仍是个"黑箱"。尤其对于丙酮酸这类关键发酵中间体，其电化学还原路径与调控机制长期未被阐明，严重制约了电发酵工艺的开发。

针对这一科学瓶颈，日本的研究人员开展了一项创新研究。他们注意到野生型MR-1在缺乏外源电子受体时难以利用丙酮酸生长，而前期研究发现敲除甲酸脱氢酶（Formate Dehydrogenase, FDH）能改变这一表型。基于此，研究团队构建了三重FDH缺陷株（ΔFDH），通过设置-0.36 V（vs. SHE）的阴极电位，在开路（OC）和闭路（CC）条件下系统比较了丙酮酸代谢产物的差异。令人振奋的是，ΔFDH在CC条件下产生了显著增多的d-乳酸，首次直接证明阴极电子可驱动丙酮酸还原。

研究采用的关键技术包括：① 基因敲除技术构建ΔFDH及后续双敲除突变体；② 恒电位仪控制-0.36 V阴极电位的生物电化学系统；③ 高效液相色谱（HPLC）分析代谢产物；④ 基于光学密度（OD₆₀₀）的微生物生长监测。

【Bacterial strains, plasmids, and culture conditions】部分显示，实验采用含20-40 mM丙酮酸的最小培养基（PMM），在25 mL试管中厌氧培养，初始OD₆₀₀为0.01。这种严格控制的条件确保了电子传递与代谢研究的可靠性。

【Construction and characterization of ΔFDH】详细阐述了通过删除SO_0101、SO_4509和SO_4513三个基因构建ΔFDH突变体的过程。值得注意的是，该突变体在缺乏电子受体的发酵条件下展现出独特的生长能力，这为后续电发酵研究提供了理想模型。

深入机制研究发现，MR-1中两种d-乳酸脱氢酶（D-LDHs）——醌依赖的Dld和NADH依赖的LdhA，在阴极电子传递中发挥同等重要作用。这一发现打破了传统认知，表明电极电子既可经内膜醌池（Quinone pool）直接传递，也能通过NADH介导的间接途径参与还原反应。这种双轨制电子传递模式解释了MR-1在复杂电化学环境中的代谢灵活性。

在讨论部分，作者强调该研究首次绘制出从电极到丙酮酸的完整电子传递路线图。特别值得关注的是，即使在不添加外源电子载体的条件下，MR-1仍能有效利用阴极电子，这为开发简化电发酵系统提供了理论依据。论文发表在《Journal of Bioscience and Bioengineering》，为微生物电合成领域树立了新标杆。

这项研究的突破性在于：一方面揭示了EET与中心碳代谢的耦合机制，另一方面证实通过理性基因改造可定向优化电发酵性能。未来通过调控Dld/LdhA表达比例，或可实现d-乳酸产量的精确控制，为生物制造开辟新路径。该工作不仅深化了对微生物电化学的认识，更为设计新一代电驱动生物反应器奠定了科学基础。