缆菌通过胞外电子传递实现无氧条件下的能量保存与生长

《TRENDS IN Biochemical Sciences》：Cable bacteria use extracellular electron transfer

　　

摘要

Aiyer及其同事的最新研究表明，缆菌能够通过胞外电子传递将电子转移至电极，从而在无氧条件下保存能量并生长。这种传递既可以直接进行，也可以通过核黄素介导。两种不同的外细胞表面氧化还原中心（可能是外膜细胞色素）参与了电子传递过程。

正文

缆菌是一类多细胞丝状细菌，每个菌丝可长达数厘米，包含超过10 000个细胞。自被发现以来，缆菌已在多种环境中被发现，主要分布在水生沉积物环境中。菌丝内的细胞展现出显著的劳动分工；位于深层无氧沉积层中的"阳极"细胞执行硫化物氧化（H₂S + 4 H₂O →SO₄^2? + 10 H⁺ + 8 e^?），而位于有氧层中的"阴极"细胞则还原氧气（O₂ + 4 H⁺ + 4 e^? → 2 H₂O）（图1A）。两个半反应的耦合是通过高度导电的周质空间纤维网络传输电子来实现的。这些纤维沿菌丝长度方向延伸，将微生物电子传递的范围从微米级距离扩展到厘米级距离。

图1 缆菌已知的和扩展的电子传递能力。

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（A）缆菌通过空间分离氧化还原半反应执行产电性硫化物氧化。硫化物的阳极氧化由有氧区下方的细胞完成，产生电子，这些电子通过共享周质空间中的纤维进行传输。随后，电子通过阴极氧气还原转移给氧气。（B）Aiyer及其同事使用的基于沉积物的生物电化学系统示意图。该系统包含碳纤维工作电极和氯化银准参比电极。沉积物和缆菌被沉积到沟槽中，缆菌可从其中迁移至电极。（C）缆菌执行的胞外电子传递机制示意图。电子传递可通过直接使用外膜氧化还原中心（最可能是细胞色素）的间接过程发生，也可通过可溶性电子穿梭物核黄素介导发生。

沉积物是一个动态环境，氧气的可用性在时间和空间上都可能发生变化。在某些情况下，缆菌在有氧区域被观察到，氧气的缺失时间可从数小时到数月不等。这提出了一个问题：缆菌如何应对无氧状况？一种已知的替代方式是异化硝酸盐还原为氨（DNRA），但尤其在海洋沉积物中，硝酸盐的可用性可能较低。在缺乏硝酸盐的情况下，另一种潜在策略是通过胞外电子传递（EET）还原固态电子受体。EET有两种主要机制：（i）通过氧化还原活性外膜细胞色素或导电纳米线进行直接EET，以及（ii）通过可溶性氧化还原穿梭物进行介导EET。最近的研究表明，缆菌能够与电极发生电化学相互作用，但缺乏确凿证据。此外，有证据表明"聚集"细菌可通过可溶性氧化还原穿梭物将电子转移给活跃的缆菌。然而，缆菌EET的机制仍然不清楚。在缺乏纯培养的情况下，Aiyer及其同事的研究通过电化学分析，结合巧妙设计的基于沉积物的生物电化学系统（BESs）以及分子和显微分析，确定了缆菌用于EET的机制，以及EET是否能与无氧条件下的能量保存和生长相耦合。

对淡水种Electronema aureum GS菌株水合菌丝的直接电化学测量表明，缆菌在菌丝外膜上具有两个氧化还原活性组分，其氧化还原电位分别为+250和+600 mV（相对于Ag/AgCl）。两种氧化还原中心均可被热、螯合剂和叠氮化物灭活，表现出双向氧化还原行为，并且在pH值从6增至8的范围内，其氧化还原电位呈负向偏移。综合以上证据表明，这些可能是促进直接EET的潜在外膜细胞色素。基因组分析也支持这一观点，该分析显示多个属于五血红素细胞色素家族的外周质蛋白在所有已知缆菌基因组中均被保守保存。

当添加缆菌后，维持在+250 mV的无氧沉积物型BES的阳极电流随时间稳步增加，同时E. aureum GS被选择性富集。在较小规模的定制双电极BES（图1B）中，维持在+250 mV的装置中E. aureum GS 16S rRNA基因拷贝数相比未维持电位对照组和初始接种量增加了两个数量级。估算的缆菌倍增时间约为20小时，这令人惊讶地与氧化沉积物中测得的倍增时间相似。对于维持在+600 mV的BES，与无缆菌对照组相比，电流升高但随时间保持恒定。虽然E. aureum GS在该装置中被选择性富集，但几乎恒定的16S rRNA基因拷贝数仅反映了缓慢或边缘性的生长。因此，+600 mV下的EET似乎支持维持和存活，但不支持生长。

为探究缆菌是否也通过可溶性电子穿梭物进行介导EET，研究者在维持在+250 mV的BES中分别在有和没有添加核黄素（维生素B2）的条件下进行培养。添加核黄素显著增强了电流随时间的产生，并且在含有缆菌的BES中核黄素浓度更高，与介导EET一致。基因组分析显示E. aureum GS具有从头合成并可能导出类黄酮的基因组能力。因此，缆菌不仅与固态电子受体进行直接电子传递，还通过其可能从头合成的氧化还原活性次级代谢产物与固态电子受体相互作用。总体而言，这些发现表明，缆菌的生理功能包括EET，这可能赋予它们在波动的氧化还原梯度下的竞争优势。显微图像显示，缆菌菌丝聚集在维持电位电极的表面，而共享的周质空间和外膜阻碍了向单细胞生活方式的转变，这意味着EET必须整合到多细胞生活方式中。

对于未来的研究，这项工作提出了许多新问题，关于这些氧化还原中心在有和没有类黄酮的情况下如何在环境条件中被利用，以及它们如何可能影响分解代谢的劳动分工。在沉积物中具有生物地球化学意义的固态氧化剂包括氧化铁(III)和Mn(IV)矿物，它们主要限于沉积物的表层。虽然目前环境电子受体仍不清楚，且矿物呼吸尚未被证实，但基于氧化还原电位的分析，铁(III)矿物的还原似乎不太可能。然而，某些Mn(IV)氧化物跨越的电位与这些氧化还原中心兼容，且理论上比通过DNRA进行硝酸盐还原产生更多的自由能。高电位氧化还原中心（+600 mV）具有与强氧化性电子受体相互作用的能力，而缆菌没有已知的膜结合末端氧化还原酶，因此这可能是一种参与氧气还原的蛋白质。由于氧化还原中心的双向性质，它们也可能被用于通过种间电子传递从其他微生物接收电子。总体而言，Aiyer及其同事的工作为微生物EET是一种广泛存在并影响生态系统功能和生物地球化学循环的现象这一不断增长的证据体做出了贡献。