Shewanella oneidensis通过点突变获得甲酸耐受性的机制及其在微生物电合成中的应用

本文报道了通过适应性实验室进化（ALE）获得甲酸耐受性Shewanella oneidensis菌株的研究。该研究鉴定出两个关键基因SO_3758（钠依赖性碳酸氢盐转运蛋白）和SO_1320（DUF2721结构域蛋白）的点突变可显著提升菌株对甲酸的耐受性，并通过结构建模揭示了突变体增强甲酸结合能力的分子机制。这项工作为开发基于微生物电合成（MES）的CO2转化系统提供了重要工具，同时证明该耐受性表型可转移至其他宿主如Zymomonas mobilis。

　　

在微生物电合成（MES）领域，Shewanella oneidensis因其卓越的胞外电子传递（EET）能力被视为极具潜力的生物催化剂。然而，野生型S. oneidensis对甲酸的高度敏感性严重限制了其在以CO₂/甲酸为底物的MES系统中的应用。这项突破性研究通过适应性实验室进化（ALE）成功培育出耐受100 mM甲酸的工程菌株，并揭示了两个关键基因的突变机制。

研究发现，在碳酸氢盐转运蛋白SO_3758（A269T）和DUF2721结构域蛋白SO_1320（V106I/V106F/S52I）中发生的点突变可独立赋予甲酸耐受性。通过AlphaFold结构预测和AutoDock Vina分子对接分析，研究人员发现A269T突变在SO_3758蛋白中形成了新的甲酸结合位点（site 2），使甲酸结合自由能从-2.3 kcal/mol提升至-3.1 kcal/mol，与野生型蛋白对碳酸氢盐的结合亲和力（-3.2 kcal/mol）相当。这种结构改变可能使该转运蛋白获得甲酸外排功能，从而避免细胞内毒性积累。

值得注意的是，将野生型和突变型SO_3758转入Zymomonas mobilis后，两种版本均能提升该菌对80 mM甲酸的耐受性，表明该耐受机制具有跨物种应用的潜力。相比之下，SO_1320突变体虽能更快启动耐受反应（缩短延滞期），但其作用机制仍待阐明。生物信息学分析显示SO_1320可能含有三个跨膜螺旋，但其与甲酸代谢的直接关联尚未明确。

这项工作的重要意义在于：首先，为构建基于S. oneidensis的MES系统扫清了甲酸毒性的关键障碍；其次，揭示了碳酸氢盐转运蛋白通过单氨基酸突变即可获得甲酸转运能力的分子基础；最后，证实了甲酸耐受性表型可通过单基因转移实现跨物种应用。这些发现不仅为微生物电合成系统的开发提供了新工具，也为理解细菌适应有机酸压力的进化机制提供了新视角。

在应用前景方面，该研究提出的基因工程策略可广泛应用于需要处理高浓度甲酸的生物制造场景，包括CO₂生物转化、C1原料利用等领域。特别是对于拟实施还原优先CO₂固定途径（如还原甘氨酸途径）的工程菌株，这些甲酸耐受突变将显著提升其代谢效率。未来研究可进一步探索这些突变蛋白的精确转运机制，并开发更高效的蛋白设计策略以优化甲酸耐受性。