金属还原菌作为微生物电合成生物催化剂面临的能量限制研究

本研究针对微生物电合成(MES)系统效率低下的关键瓶颈，揭示了金属还原菌Shewanella oneidensis通过醌池(Q-pool)依赖的胞外电子摄取(EEU)途径存在离子动力(IMF)依赖性和限制性。研究人员通过热力学建模和单细胞膜电位监测，证实NADH脱氢酶介导的电子传递需要质子动力(PMF)或钠动力(SMF)耦合才能实现热力学可行，为优化MES平台设计提供了重要理论依据。

　　

随着全球气候变暖加剧，如何实现碳中和成为紧迫课题。微生物电合成(MES)技术被认为是通过微生物将工业排放的CO₂转化为有机物的潜在解决方案。然而当前MES系统面临的核心瓶颈是电流密度过低，远未达到工业化应用所需的-50至-100 mA·cm^-2水平。这一限制很大程度上源于微生物胞外电子摄取(EEU)过程中的能量障碍。

美国密歇根州立大学(Michigan State University)的研究团队针对这一关键科学问题，以模式菌株Shewanella oneidensis MR-1为研究对象，深入探究了醌池(Q-pool)依赖的EEU途径中的热力学限制。研究发现，当电子需要通过NADH脱氢酶从醌池传递至胞质NAD⁺时，这一步骤在热力学上极为不利(ΔG>>0)，必须依赖质子动力(PMF)或钠动力(SMF)耦合才能实现。相关研究成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》上。

研究人员主要采用了两种关键技术方法：一是基于eQuilibrator 3.0 API的多室自由能计算模型，系统评估了不同环境参数(pH、膜电位、反应物比例等)对电子传递热力学的影响；二是开发了兼容显微镜的生物电化学系统(BES)，通过硫黄素T(ThT)荧光标记实现了单细胞水平膜电位动态监测。

【Energetic constraints of Q-pool dependent EEU】

通过热力学建模发现，在醌池高度还原(90% MQH₂)条件下，NADH脱氢酶介导的电子传递仅在PMF或SMF耦合时呈现热力学有利(ΔG<0)。其中质子泵Nuo(4H⁺/NADH)使77.5%模拟条件转为有利，钠泵Nqr(2Na⁺/NADH)为30%，而非耦合型Ndh在所有40种模拟条件下均不利。

【Q-pool dependent EEU to cytoplasmic NAD⁺ is IMF-limited】

单细胞实验显示，当添加Bdh酶底物乙酰丁酮时，膜电位显著降低(p=0.0334)，而对照组无此现象。添加质子载体CCCP后膜电位不再进一步下降，表明EEU过程已完全去极化，证实IMF供给是限制EEU速率的关键因素。

【Discussion】

该研究首次系统阐明了金属还原菌EEU过程中的能量限制机制：虽然电子从电极到醌池的传递可自发进行，但从醌池到NAD⁺的步骤必须依赖IMF驱动。这一发现为理解不同微生物电合成系统的性能差异提供了理论框架——依赖醌池EEU的菌株虽具基因操作便利优势，但受IMF限制；而通过H₂介导EEU的菌株则无此限制但代谢灵活性较低。

该研究的创新价值在于：1) 建立了定量评估EEU能量障碍的计算模型；2) 开发了单细胞电化学-荧光联用技术；3) 为理性设计高效MES系统提供了明确指导——需优化IMF供给与EEU途径的匹配。未来通过工程化改造NADH脱氢酶或引入人工离子泵，有望突破这一能量瓶颈，推动MES技术向工业化应用迈进。