解密可提升儲(chǔ)電效率的基因線路微生物電池五年內(nèi)取代現(xiàn)有電池

用電鰻發(fā)電似乎是一種異想天開，但利用微生物發(fā)電并不是新鮮事。

早在1910年，英國(guó)科學(xué)家馬克·比特就發(fā)現(xiàn)了微生物的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流，并成功制造出了世界第一塊微生物電池。1962年，美國(guó)科學(xué)家弗斯勒帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出一部以微生物為電池的無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)。

隨著合成生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用， 產(chǎn)電微生物的研究更加工程化，2018年我國(guó)科技部發(fā)布的“合成生物學(xué)”重點(diǎn)專項(xiàng)中也將“電能細(xì)胞設(shè)計(jì)與構(gòu)建”列為了重點(diǎn)研究項(xiàng)目。

微生物電池也被眾多學(xué)者視為新型電池中最具潛力的一個(gè)。

1 產(chǎn)電微生物

其實(shí)在生物體內(nèi)，時(shí)時(shí)刻刻都在產(chǎn)生“電”，細(xì)胞的有氧呼吸就涉及電子的傳遞，而利用微生物產(chǎn)電的原理與之相似。

產(chǎn)電微生物可以代謝有機(jī)底物， 將電子傳遞給胞內(nèi)的NAD+、FAD生成NADH、FADH2，或存儲(chǔ)在丙酮酸、甲酸等中間代謝物中，共同構(gòu)成了產(chǎn)電微生物的胞內(nèi)可釋放電子池。

隨后，在一系列酶的催化下，中間代謝物匯入位于細(xì)胞內(nèi)膜的醌池中，經(jīng)過(guò)甲基萘醌脫氫酶釋放，實(shí)現(xiàn)電子的胞內(nèi)生成，并最終通過(guò)胞外電子傳遞系統(tǒng)傳遞到胞外電子受體 [1]。

產(chǎn)電微生物在自然界分布廣泛，隨著微生物篩選技術(shù)的進(jìn)步，更多產(chǎn)電微生物也被逐漸發(fā)掘。

其優(yōu)勢(shì)之一是自身產(chǎn)出的電能可以被用于加速生物反應(yīng)，以污水處理為例，微生物可以利用污水中的有機(jī)物產(chǎn)生電子，理論上，如果通過(guò)電極連接，可以在水中形成電流回路，當(dāng)電流強(qiáng)度達(dá)到一定的值時(shí)，便可利用電解水的方法處理污水，形成良性循環(huán)。

這一特性是以產(chǎn)電微生物為主體的生物智能合成和生物電催化領(lǐng)域的核心，為綠色可持續(xù)性生產(chǎn)新能源或大宗精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)提供了新思路。

但如同所有合成生物學(xué)底盤細(xì)胞一樣，野生型的產(chǎn)電微生物缺點(diǎn)也很明顯，可利用底物譜窄、底物攝取代謝強(qiáng)度弱，胞內(nèi)電子池容量小、胞外電子傳遞速率慢等等。

這些都是合成生物學(xué)家正在解決的問(wèn)題。

2 解密電子攝取基因線路

有電能的產(chǎn)生，就會(huì)有電能的存儲(chǔ)，今年8月，美國(guó)辛辛那提大學(xué)生物科學(xué)系A(chǔ)nnetteR Rowe團(tuán)隊(duì)和康奈爾大學(xué)生物與環(huán)境工程系Buz Barstow團(tuán)隊(duì)在Communications Biology上刊文，提出了一種利用細(xì)菌進(jìn)行電子攝取的基因線路。

Barstow介紹道，“S. oneidensis是一種廣泛使用的模式產(chǎn)電微生物，而越來(lái)越多的研究表明它可以逆轉(zhuǎn)其細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移途徑，吸收氧化反應(yīng)產(chǎn)生的電子，從而形成一個(gè)帶電的能量?jī)?chǔ)存器，就好像整個(gè)細(xì)胞都有電荷一樣?！?/p>

這項(xiàng)研究的目標(biāo)就是找出細(xì)菌電子攝取的具體基因線路，為此，該團(tuán)隊(duì)首先將細(xì)菌基因組中非必需基因約99%的基因（約3667個(gè)）分別敲除，再進(jìn)行細(xì)胞電子攝取實(shí)驗(yàn)，以此篩選與儲(chǔ)能相關(guān)的基因。

該團(tuán)隊(duì)還專門建立了一種比色篩選方法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用一種失去電子會(huì)變色的物質(zhì)作為底物，可以通過(guò)顏色的變化判斷細(xì)胞是否攝取了電子。

最終，該團(tuán)隊(duì)篩選出了5個(gè)與電子攝取的相關(guān)基因，還發(fā)現(xiàn)這些基因在Shewanella種屬的基因組中高度保守。

對(duì)于這一基因線路的應(yīng)用，Barstow表示，他正在設(shè)計(jì)一種可以將有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為生物燃料的細(xì)菌，目前有兩種想法：一是將上述5個(gè)基因轉(zhuǎn)入到現(xiàn)有的工程菌細(xì)菌中，提高生物反應(yīng)轉(zhuǎn)化效率;二是以S. oneidensis為底盤細(xì)胞，利用電極使其將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸等物質(zhì)。

微生物電池還有多久能取代現(xiàn)有的電池？Barstow表示，“如果我們獲得資金，它可能只需要五年時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)?！?/p>

合成生物學(xué)手段加速了產(chǎn)電微生物的改造，盡管當(dāng)前的研究還停留在微生物水平，或許有一天，電鰻經(jīng)過(guò)改造也能夠成為穩(wěn)定的電源，而將人體稍加改造，或許每個(gè)人都能成為 “閃電俠”。 （摘自美《深科技》）（編輯/克珂）