基于TA-FeⅢ 界面工程的Shewanella oneidensis MR-1细胞功能强化与稳定性提升研究

针对微生物在复杂环境中稳定性差的问题，研究人员通过TA-FeⅢ 配位复合物构建仿生界面，成功赋予Shewanella抗高温、渗透压、紫外线和溶菌酶等极端环境耐受性，并实现酸性条件可控释放。该研究为微生物燃料电池（MFCs）等生物技术应用提供了新型功能化细胞材料。

　　

微生物在能源生产、环境修复等领域具有巨大潜力，但脆弱的生存能力严重制约其应用。以Shewanella oneidensis MR-1（简称Shewanella）为例，这种能够通过外膜细胞色素传递电子的产电菌，虽在微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFCs）中表现突出，却难以抵御高温、渗透压等环境压力。传统方法如基因改造存在技术复杂、成本高等局限，而合成生物学与材料科学的交叉融合为破解这一难题提供了新思路。

受自然界启发，湖北大学等机构的研究团队创新性地采用单宁酸（Tannic Acid, TA）与三价铁离子（Fe^Ⅲ
）的配位作用，在Shewanella表面构建了金属-酚醛网络（Metal-Phenolic Networks, MPNs）生物界面。这种仿生策略不仅操作简便、生物相容性优异，更能通过pH调控实现界面功能的动态开关。研究发表于《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》，为活细胞功能化改造提供了普适性方案。

关键技术方法
研究通过共自组装法在Shewanella表面构建TA-Fe^Ⅲ
界面，采用扫描电镜（SEM）表征界面形貌，通过紫外-可见光谱（UV-Vis）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证配位作用。细胞活性通过平板计数和荧光染色评估，功能验证包括极端环境（50°C高温、20% NaCl渗透压、UV-C辐射）耐受性测试，以及MFCs性能分析。

研究结果

TA-Fe^Ⅲ
界面工程构建
TA分子中丰富的邻苯二酚基团与Fe^Ⅲ
形成稳定配位键，30分钟内即可在Shewanella表面形成均匀纳米涂层（图1A）。该界面厚度约20nm，不影响细胞正常代谢活动，且酸性条件（pH≤5）可触发配位解离实现可控释放。

极端环境防护机制
工程化细胞在50°C处理1小时后存活率较野生型提升8倍，20% NaCl溶液中存活率提高6倍。TA-Fe^Ⅲ
界面通过物理屏障和自由基清除双重机制，使细胞对254nm紫外线辐射的抗性增强10倍，对1mg/mL溶菌酶的耐受时间延长至12小时。

功能化拓展应用
共沉积羧基化碳纳米管（MWCNTs）构建的导电界面使MFCs最大功率密度达180mW/m²
，较对照组提高3倍；引入Fe₃
O₄
纳米颗粒则赋予细胞磁响应性，外磁场下电流输出提升40%。

结论与意义
该研究开创了基于天然多酚的微生物界面工程新范式：TA-Fe^Ⅲ
界面不仅赋予Shewanella"极端微生物"特性，其模块化设计更支持导电/磁性等非生物功能的便捷整合。这种"即插即用"策略突破了活细胞与无机材料的功能壁垒，为MFCs增效、生物修复和智能生物制剂开发提供了通用技术平台。研究团队Yao-Qi Huang、Tong-kai Zhang等特别指出，该界面在胃肠道环境耐受性方面的潜力，或将推动口服微生物疗法的革新。