“bioRxiv ∣黄素的合成，增强了工程大肠杆菌的胞外电子传递效率”
文献信息：
作者：Mohammed Mouhib, Melania Reggente, Ardemis A. Boghossian
上传时间：January 2, 2023
https://doi.org/10.1101/2022.12.31.522390
bioRxiv 影响因子：-
背景介绍
生物电化学系统（BES）正逐渐成为能源、传感、环境和合成应用领域的新星。BES通过微生物与电极之间的相互作用，实现了能量和信息的交换。理想的微生物应具备高效的胞外电子传递（EET）能力，并能适应特定应用的需求，如代谢特定代谢物、响应环境刺激、降解污染物或生产特定化学物质。
在这一领域，大肠杆菌（Escherichia coli）通过引入胞外电子传递（EET）途径，被成功地工程化。特别是，受到Shewanella oneidensis 的金属还原（Mtr）途径的启发，研究人员将S. oneidensis 中的几种细胞色素异源表达在大肠杆菌中，显著提高了EET速率。这一进步不仅增强了大肠杆菌在BES中的应用潜力，也为未来的生物电化学研究奠定了基础。
除了直接的电子传递，S. oneidensis还被发现能够分泌黄素，这些黄素作为氧化还原介体在EET中发挥着关键作用。黄素的分泌对于维持高EET速率至关重要，它们通过在细胞和电极之间传递电子，促进了电子的扩散和传递。
在这篇研究中，作者在大肠杆菌中同时表达了Mtr途径和黄素生物合成途径。这一创新策略不仅增强了工程菌株的EET能力，还显著提高了黄素单核苷酸和核黄素的分泌（3倍）。通过计时电流法的测试，研究人员发现，当共表达细胞色素和黄素生物合成基因时，电流比野生型增加了约3.4倍；而单独表达黄素生物合成基因时，电流增加了约2.3倍。这一发现表明，黄素生物合成基因的引入为EET提供了一种独特但互补的新机制，为BES的应用开辟了新的可能性。
图文解读
图1. Mtr途径和黄素生物合成途径的共表达
(a) 大肠杆菌细胞表达内膜、周质和外膜中黄素生物合成途径和Mtr途径的示意图。（不按比例）
(b) 本研究中表达的黄素生物合成途径概览。编码催化给定反应的酶的基因在连接代谢物的箭头旁边标注。
(c) 本研究使用的质粒示意图，包括启动子（ptet、T7、proD）、复制起点（p15A、ColE1、CloDF13）和抗生素抗性基因（ChlR - 氯霉素、KanR - 卡那霉素、AmpR - 氨苄青霉素）。表达的感兴趣基因在相应质粒上方用箭头表示。
在M9葡萄糖介质中好氧生长过程中，(a) FMN和(b) 核黄素的浓度随时间增加。(c) 48小时好氧生长后，由核黄素和FMN组成的总黄素浓度（左），以及FMN与核黄素的比率（右）。(c) 用增强型化学发光底物染色的SDS-PAGE凝胶（4%-20%，MOPS-SDS缓冲液，每条泳道30微克蛋白），装载了周质（左）和膜（右）蛋白提取物。绘制了3个独立生物学重复的平均值，误差条代表1个标准差。
(a) 在M9-葡萄糖介质中无氧条件下的计时电流测量。相对于Ag/AgCl参比电极施加了0.2V的正电位，每30秒记录一次电流值。三个独立测量的平均电流随时间绘制（空载体对照组进行了两次测量），阴影区域表示一个标准差。
(b) 计时电流测量后测量溶液中的OD600，起始OD600为0.6（黑线）。条形图表示平均值，误差以一个标准差给出。
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