心臟跳動、肌肉收縮、眼睛開閉、大腦思維……人體任何一個細微的活動都與生物電有關，都伴隨著生物電的產生和變化。生物學家認為，電在生物體內普遍存在，組成生物體的每個細胞都是一臺微型發電機。這其中，有一類產電的微生物，它們擁有的電能細胞，可以通過與外界環境進行雙向電子和能量傳遞來實現多種微生物電催化過程。

　　近日，天津大學化工學院宋浩教授團隊在《自然·通訊》雜志在線發表論文稱，他們創造性地采用合成生物學方法打通了電能細胞的“任督二脈”，構建胞內外高速電子通道，闡明了電能細胞內“電子池”容量是決定電子傳遞速率的關鍵因素，為提高微生物細胞外電子傳遞效率，推動電能細胞“變廢為寶”的產業化發展提供了新思路。

　　“電子池”容量，影響電子傳遞效率的關鍵

　　如何利用電能細胞高效率發電是科學家們迫不及待想要解決的問題。放眼全球，科學家們大量集中于微生物電池電極材料開發、反應器設計等研究，對電能細胞這一微生物電催化系統中核心器件的研究及改造尚顯不足。而近十年來，圍繞這一世界性難題，宋浩教授團隊另辟蹊徑，從電能細胞電子傳遞機制出發，致力于運用合成生物學手段提高電能細胞的催化效率。

　　“我們發現電能細胞內‘電子池’的容量大小是限制胞外電子傳遞速率的關鍵因素。”宋浩將細胞的電子載體NAD+比作細胞內部的“電子池”，其容量的大小直接影響細胞的產電效率。他們采用自主開發的合成生物學工具，運用模塊化工程改造細胞的策略，改造了希瓦氏菌的遺傳基因，對希瓦氏菌的NAD+從頭合成路徑、補救合成路徑、通用合成路徑進行了系統的代謝優化與重構。實驗表明，通過提高胞內電子載體NAD+的總量，顯著提升了胞外電子傳遞速率。

　　針對電能細胞合成電子傳遞載體能力有限、形成生物膜能力有限、可利用的底物范圍有限等問題，宋浩團隊還做了一系列創新性研究。他們開發出產電菌的基因組編輯新工具CRISPRi，實現了對希瓦氏菌中多個產電基因的同時調控，獲得了在基因組水平上改造產電菌的能力；構建了電子傳遞載體核黃素（維生素B2）的高效生物合成與傳遞途徑，能有效提高電子傳遞載體介導的電子傳遞效率；利用基因工程改造的產電菌與氧化石墨烯作用，成功構建了三維自組裝、高效電活性生物膜，得到了高效的電能輸出效率；并進一步構建高效的發酵菌與產電菌組合而成的微生物生態系統，有效拓展了電能細胞的底物利用；構建了酶輔助的電能細胞合成體系，以二氧化碳為碳源，水做氫源，電能做能源，合成了可降解高分子材料聚羥基丁酸酯。

　　“變廢為寶”，電能細胞有大用場

　　環境污染和能源短缺已經成為人類面臨的難題。開發綠色可再生新能源是替代化石燃料、保護自然環境、解決能源短缺、實現可持續發展的必經之路。以電能細胞為主導的微生物電催化系統，作為一種新型的綠色新能源生產方式正嶄露頭角。

　　微生物電催化過程通過電能細胞與外界環境進行雙向電子傳遞與能量交換，實現環境、能源領域的“變廢為寶”應用，如促使有機廢棄物降解和電能回收的微生物燃料電池；可以用于實現石油化工、釀造業及食品加工業廢水制氫的微生物電解池工藝；還可用于還原溫室氣體二氧化碳，合成高附加值精細化學品等的微生物電合成系統等。其在能源、環境、化工、軍事等領域具有廣泛應用前景。

　　電能細胞的胞外雙向電子傳遞效率低下，目前仍然是限制電能細胞“變廢為寶”產業化應用的主要核心瓶頸。宋浩團隊利用合成生物學，實現對電能細胞的電生理與代謝工程改造，提高了電能細胞的胞外雙向電子傳遞效率，為電能細胞產業化應用研發出一套實用性技術方法。
　　瓶頸仍不少，急需基因調控工具

　　隨著對電能細胞胞外電子傳遞機制理解的不斷加深，以及電能細胞在產電、產氫、減少碳排放和化學品生物電合成等領域的不斷應用，電能細胞的研究逐漸成為合成生物學研究的熱門方向之一。

　　然而限制電能細胞產業化應用的科學問題及技術瓶頸依然不少。目前，電能細胞較低的電子傳遞效率和電催化活性仍然難以滿足工業需求；人類對很多電能細胞在產電和電合成過程中，胞外電子傳遞和攝取的機制仍然不清楚，難以實現提高電子傳遞效率的理性設計。

　　“我們需要進一步深入研究電能細胞的電子傳遞途徑及其調控、組裝的分子機制，從而不斷提高電能細胞的胞外電子傳遞通量和效率。”宋浩教授告訴科技日報記者。

　　當下，越來越多的非模式電能細胞被發現，但對其電活性生理及物質能量代謝的分子機制缺乏系統理解。人類目前掌握的代謝工程和合成生物學工具仍然非常有限，急需系統開發改造出從基因組水平上對這些電能細胞進行調控和編輯的工具。