近日，王远鹏教授课题组和曹名锋教授课题组在希瓦氏菌微生物电合成代谢调控方面的研究取得突破进展，相关研究成果以“Metabolic regulation of Shewanella oneidensis for microbial electrosynthesis: From extracellular to intracellular”为题发表在Metabolic Engineering 期刊上(DOI: 10.1016/j.ymben.2023.08.004)。
将CO2转化为有机物是解决当前气候问题的一项前瞻性战略，微生物电合成（MES）被认为是最有前途的CO2转化途径之一，这种策略相较于电化学合成更有可能产生二碳以上的多碳化合物。希瓦氏菌（Shewanella）是进行MES的理想菌株，因为其具有多样化且高效的胞外电子传递途径。目前，阻碍Shewanella进行MES应用的问题主要有两个，即（1）整个MES过程电子传递效率低下，导致目标产物-甲酸的产量偏低；（2）对MES过程的胞外电子摄取和胞内CO2转化的作用机制，仍然缺乏足够的认识。
基于此，王远鹏教授课题组和曹名锋教授课题组联合攻关，系统研究了MES中S. oneidensis MR-1参与胞外电子摄取和胞内CO2转化过程相关基因的表达情况，筛选出潜在的关键基因，并对这些基因过表达以进一步鉴定。结果表明，在胞外电子摄取模块，关键基因认定为mtrB、mtrC、mtrD、mtrE、omcA和cctA，其过表达菌株的甲酸产率比野生型菌株高1.5-2.1倍；而胞内CO2转化过程模块中，nadE、nadD、nadR、nadV、pncC、petC、fdhA1、fdhB1和fdhX1的过表达使甲酸产率提高了1.3-3.4倍。为了进一步提高甲酸产率，该研究将关键基因cctA、fdhA1和nadV进行串联表达，使甲酸产率达到3.50 mmol/（L·μg protein），为野生型的5.59倍。以上结果推断，S. oneidensis MR-1进行MES机制为：源于电极的胞外电子通过MR-1中Mtr途径的部分细胞色素c传递至胞内，用于ATP和NADH合成；之后ATP、NADH、电子和CO2协同在甲酸脱氢酶中合成甲酸。该研究结果为S. oneidensis MR-1的MES作用机制在分子层面提供了新的见解，为代谢改造S. oneidensis MR-1提高MES效率和合成其他化合物奠定基础。
该工作是在王远鹏教授、曹名锋教授共同指导下完成，博士生李逸鑫和广西大学助理教授罗青柳为论文的共同第一作者。三明学院董国文教授以及厦门大学-三明学院联培研究生苏佳莹（2020级硕士）也参与了部分工作。论文中相关研究工作得到国家重点研发计划(2022YFC2106000)，国家自然科学基金(22038012、42077030、32271477)，福建省自然科学基金（2020NZ012015、2020Y4002）和中央高校基本科研业务费（20720190001、20720220012）的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2023.08.004
图文来源：https://chem.xmu.edu.cn/info/1274/22774.htm