定制化酶表达调控Shewanella oneidensis生物膜结构并提升电流密度的机制研究

针对生物电化学系统中生物膜形成机制不明的问题，研究人员通过调控WbpA/WbpP酶表达，发现其协同作用可改变Shewanella oneidensis生物膜结构（OCT显示孔隙率降低21%），使阳极附着细胞数增加1.97倍，电流密度提升1.8倍，为生物电催化系统优化提供了新策略。

　　

在微生物电化学系统中，生物膜的形成是电子向阳极转移的关键途径，但厌氧条件下生物膜形成的触发机制及其对电流生成的影响尚不明确。Shewanella oneidensis作为典型电活性微生物，其薄层生物膜结构常导致电流密度远低于Geobacter sulfurreducens。此前研究发现核黄素可通过群体感应途径增强生物膜形成，但其下游效应蛋白及作用机制仍是谜团。

德国研究人员在《New Biotechnology》发表的研究中，聚焦于核黄素通路下游的两种糖修饰酶——UDP-N-乙酰葡糖胺C4差向异构酶(WbpP)和UDP-N-乙酰-D-葡糖胺6-脱氢酶(WbpA)。通过微流控生物电化学反应器结合光学相干断层扫描(OCT)技术，团队发现：单独表达WbpP使生物膜粗糙度增加40%，而WbpA表达则使孔隙率降低15%；唯有两者共表达时，电流密度才显著提升至1.8倍（p<0.01），与核黄素诱导效果相当。单细胞力谱显示WbpAP共表达株在疏水表面的粘附力降低，qPCR证实阳极附着细胞数增加1.97倍，揭示了糖化学修饰通过改变细胞表面亲水性优化附着的机制。

关键技术包括：1）微流控连续培养系统模拟生物电化学环境；2）OCT三维动态监测生物膜结构参数（生物体积、高度、孔隙率）；3）单细胞原子力显微镜量化细胞-电极相互作用；4）qPCR定量阳极附着细胞数。

研究结果部分：
3.1节显示WbpP单独表达导致生物膜粗糙度显著增加（Ra=35±2μm vs 对照28±1μm），而WbpA使孔隙率从62%降至53%。3.2节发现仅WbpAP共表达使微流控系统中电流密度从0.8增至1.45μA/cm²
。3.3节通过250mL批次实验验证，qPCR显示阳极细胞数增加97%，单细胞力谱揭示粘附力中位数从1.2nN降至0.8nN。

讨论部分指出：WbpA催化的糖氧化（UDP-GlcNAc→UDP-GlcNAcA）与WbpP催化的差向异构化（UDP-GlcNAc?UDP-GalNAc）协同改变EPS化学组成，可能通过增加表面极性增强细胞间相互作用。这与既往认为减少EPS有利电流传输的结论（如SO3177缺失株）形成有趣对比，提示精确调控糖化学修饰可突破S. oneidensis的电流密度瓶颈。该研究为"定制生物催化剂"概念提供了范例，未来或可通过操纵wbpAP操纵子优化生物电合成系统。