希瓦氏菌胞内外电子传递路径的交叉与差异：从Mtr通路到黄素介导的阴极电子摄取机制解析

本研究针对Shewanella oneidensis MR-1在微生物电合成中电子摄取路径不明确的问题，通过系统解析MtrCAB、CymA、黄素（RF/FMN）及氢酶在阴极电子传递中的作用，发现内源黄素不可被外源替代且氢酶通过维持细胞存活间接影响效率，为优化电合成平台提供了关键靶点与策略。

　　

在微生物电合成领域，希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）MR-1因其卓越的胞外电子传递能力被视为理想生物催化剂。然而，尽管其向阳极传递电子的机制（即“外向电子传递”）已被深入解析，但阴极驱动的电子摄取路径（“内向电子传递”）仍存在大量未知。例如，电子如何从阴极进入细胞并驱动还原反应？是否与外向路径共享相同蛋白组件？黄素分子和氢酶在其中扮演何种角色？这些问题严重限制了该菌在电合成中的应用效率。为此，美国密歇根州立大学TerAvest团队在《FEMS Microbiology Letters》发表研究，系统揭示了内向与外向电子传递路径的重叠与差异。

研究主要采用生物电化学系统（BES）结合基因敲除菌株（如ΔmtrA、ΔcymA、Δbfe等），以2,3-丁二醇产量为NADH生成指标，通过电流监测、高效液相色谱（HPLC）和菌落形成单位（CFU）计数等技术，评估了Mtr通路、黄素及氢酶在电子摄取中的作用。

结果部分

1. 内向电子传递依赖Mtr和CymA

敲除mtrA导致2,3-丁二醇产量下降95%，且库仑效率降低46%，表明MtrA是电子摄取的核心蛋白，并排除了氢气介导的电子传递主导可能性。cymA敲除则使产量下降70%，提示存在CymA非依赖的替代路径（如SirCD或其它醌氧化还原酶）。

2. 黄素对电子传递的复杂调控

缺乏黄素输出蛋白Bfe的菌株（Δbfe）产量下降72%，且外源添加核黄素（RF）或黄素单核苷酸（FMN）虽增加电流（因非生物还原反应），却未恢复NADH生成。这表明内源黄素可能通过结合细胞色素（如MtrC/OmcA）形成黄素细胞色素复合物，或在周质空间调控电子传递，而外源黄素无法替代这一作用。fccA敲除不影响电子传递，证实表型并非由FccA失活引起。

3. 氢酶增强静止期细胞存活

双敲除氢酶基因（ΔhyaBΔhydA）反而降低电流和产物产量，单敲除实验显示ΔhyaB库仑效率显著下降，而ΔhydA与野生型相似。CFU实验证实双敲除菌株在48小时后存活率下降10倍，表明氢酶（尤其是HyaB）通过防止还原当量过度积累维持细胞存活，而非直接参与电子传递。

结论与意义

本研究明确内向电子传递路径与外向路径高度重叠：MtrCAB和黄素是电子跨外膜的关键，CymA及替代蛋白负责将电子传递至醌池。内源黄素的不可替代性提示其可能通过结合细胞色素或调控基因表达发挥作用，而氢酶通过维持细胞存活间接影响电合成效率。这些发现为构建高效电合成平台提供了方向：删除hydA可提升库仑效率，而优化黄素代谢或利用替代周质载体可能进一步增强电子摄取速率。该研究不仅深化了对微生物电合成机制的理解，也为工程化希瓦氏菌应用于能源与化学品生产提供了理论依据。