用于实时单细胞成像电活性细菌表面电荷的电化学发光显微镜技术

《Nature Communications》：Electrochemiluminescence microscopy for real-time, single-cell imaging of surface charge in electroactive bacteria

　　

摘要

由于缺乏适用于微生物的适当电生理学工具，要理解施加电压如何调控微生物电化学系统中的代谢过程颇具挑战性。在此，我们提出了一种基于电化学发光技术的成像平台，该平台能够实时、以飞库仑级别精确测定单个细菌细胞表面的电荷情况。该方法利用阳离子发光剂在细菌膜上的静电富集效应来增强电化学发光信号，从而将表面电荷变化与细胞内电子代谢及界面电子流动联系起来。以Shewanella oneidensis MR-1为模型，我们展示了外膜细胞色素介导的电压激活型代谢增强现象。通过调节直接和间接电子转移途径，我们发现依赖细胞色素的直接电子转移可启动代谢激活，而通过介质实现的间接电子转移则能防止电荷饱和，维持较高的代谢速率。此外，双参数筛选方法有助于识别具有高代谢活性和高效电子转移能力的细菌亚群。因此，我们的研究为单细胞层面的微生物电生理学研究提供了框架，也为开发用于生物电化学应用的高性能电活性菌株奠定了基础。