胞内环二鸟苷酸（c-di-GMP）调控地杆菌胞外电子传递关键基因的分子机制

这篇研究揭示了环二鸟苷酸（c-di-GMP）作为第二信使调控革兰阴性菌Geobacter metallireducens胞外电子传递（EET）的分子机制。通过构建不同c-di-GMP水平的菌株（Gme-L/C/H），发现其通过差异调控多血红素c型细胞色素（c-Cyts）和菌毛蛋白PilA-N的基因表达，影响生物膜形成、Fe(III)还原及产电效率，为微生物电化学系统优化提供了新靶点。

　　

胞内c-di-GMP对地杆菌胞外电子传递的全局调控

细菌菌株与c-di-GMP水平调控
研究团队通过合成生物学手段，在Geobacter metallireducens中构建了三种菌株：高c-di-GMP水平的Gme-H（携带合成酶基因pYedQ）、中等水平的Gme-C（空载体对照）和低水平的Gme-L（携带降解酶基因pYhjH）。定量分析显示，Gme-H的c-di-GMP浓度达8.25 ± 0.08 pmoL/mg蛋白，显著高于Gme-C（5.04 ± 0.08 pmoL/mg），而Gme-L仅为4.35 ± 0.29 pmoL/mg。有趣的是，另一种环核苷酸cGAMP的浓度与c-di-GMP呈负相关，暗示两者可能存在拮抗调控。

生物膜形成与导电性能的差异化表现
在非导电表面，Gme-H形成的生物膜最厚（OD₅₇₀
最高），而Gme-L最薄，表明c-di-GMP正向调控生物膜形成。产电实验中，Gme-L虽能更快启动电流输出（10小时 vs. Gme-C的45小时），但最大电流密度（0.118 ± 0.008 mA/cm²
）显著低于Gme-H（0.189 ± 0.002 mA/cm²
）。CLSM成像进一步证实，高c-di-GMP促进阳极生物膜增厚，但延迟产电启动时间至192小时，提示生物膜厚度与产电效率存在权衡。

转录组学揭示关键EET基因网络
RNA-seq分析发现，c-di-GMP差异调控了多个EET相关基因：

• 高c-di-GMP上调胞外c-Cyt Gmet2896和菌毛蛋白PilA-N的表达，二者可能形成导电纳米纤维（类似G. sulfurreducens的OmcE-PilA复合物）。
• 低c-di-GMP则激活外膜孔道细胞色素基因（如Gmet0825和Gmet0913），促进电子跨膜传递。
  免疫印迹验证了PilA-N和Gmet2896在Gme-H中的高表达，而Gmet0825在Gme-L中表达增强。

新鉴定的EET功能基因
通过基因敲除实验，首次证实c-Cyts Gmet0601（胞外）、Gmet1703（周质）和Gmet1809（细胞质膜）直接参与EET：

• 缺失株ΔGmet0601和ΔGmet1809的阳极产电和水铁矿（ferrihydrite）还原能力显著下降；
• Gmet1809可能作为替代复合体III（ACIII）组分参与醌氧化，串联膜内电子传递链。

与近缘菌种的调控差异
不同于G. sulfurreducens中低c-di-GMP促进PilA-N表达的现象，G. metallireducens的PilA-N受高c-di-GMP正调控，提示物种特异性机制。此外，c-di-GMP可能通过抑制Hypr GGDEF酶（如Gmet1914）的活性，间接降低cGAMP水平，形成双向调控网络。

应用与展望
该研究不仅阐明了c-di-GMP通过“细胞膜-周质-外膜-胞外”全路径调控EET的分子框架，还为微生物燃料电池（MFC）的菌种改造提供了新策略——例如通过定向调控c-di-GMP水平优化生物膜导电性与产电时序。未来可进一步解析c-di-GMP效应蛋白与靶基因的互作机制，推动合成生物学在环境能源领域的应用。