解密可提升儲電效率的基因線路微生物電池五年內取代現有電池

用電鰻發電似乎是一種異想天開，但利用微生物發電并不是新鮮事。

早在1910年，英國科學家馬克·比特就發現了微生物的培養液能夠產生電流，并成功制造出了世界第一塊微生物電池。1962年，美國科學家弗斯勒帶領團隊研制出一部以微生物為電池的無線電發報機。

隨著合成生物學技術的應用， 產電微生物的研究更加工程化，2018年我國科技部發布的“合成生物學”重點專項中也將“電能細胞設計與構建”列為了重點研究項目。

微生物電池也被眾多學者視為新型電池中最具潛力的一個。

1 產電微生物

其實在生物體內，時時刻刻都在產生“電”，細胞的有氧呼吸就涉及電子的傳遞，而利用微生物產電的原理與之相似。

產電微生物可以代謝有機底物， 將電子傳遞給胞內的NAD+、FAD生成NADH、FADH2，或存儲在丙酮酸、甲酸等中間代謝物中，共同構成了產電微生物的胞內可釋放電子池。

隨后，在一系列酶的催化下，中間代謝物匯入位于細胞內膜的醌池中，經過甲基萘醌脫氫酶釋放，實現電子的胞內生成，并最終通過胞外電子傳遞系統傳遞到胞外電子受體 [1]。

產電微生物在自然界分布廣泛，隨著微生物篩選技術的進步，更多產電微生物也被逐漸發掘。

其優勢之一是自身產出的電能可以被用于加速生物反應，以污水處理為例，微生物可以利用污水中的有機物產生電子，理論上，如果通過電極連接，可以在水中形成電流回路，當電流強度達到一定的值時，便可利用電解水的方法處理污水，形成良性循環。

這一特性是以產電微生物為主體的生物智能合成和生物電催化領域的核心，為綠色可持續性生產新能源或大宗精細化學品的生產提供了新思路。

但如同所有合成生物學底盤細胞一樣，野生型的產電微生物缺點也很明顯，可利用底物譜窄、底物攝取代謝強度弱，胞內電子池容量小、胞外電子傳遞速率慢等等。

這些都是合成生物學家正在解決的問題。

2 解密電子攝取基因線路

有電能的產生，就會有電能的存儲，今年8月，美國辛辛那提大學生物科學系AnnetteR Rowe團隊和康奈爾大學生物與環境工程系Buz Barstow團隊在Communications Biology上刊文，提出了一種利用細菌進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電微生物，而越來越多的研究表明它可以逆轉其細胞外電子轉移途徑，吸收氧化反應產生的電子，從而形成一個帶電的能量儲存器，就好像整個細胞都有電荷一樣。”

這項研究的目標就是找出細菌電子攝取的具體基因線路，為此，該團隊首先將細菌基因組中非必需基因約99%的基因（約3667個）分別敲除，再進行細胞電子攝取實驗，以此篩選與儲能相關的基因。

該團隊還專門建立了一種比色篩選方法，簡單來說，就是利用一種失去電子會變色的物質作為底物，可以通過顏色的變化判斷細胞是否攝取了電子。

最終，該團隊篩選出了5個與電子攝取的相關基因，還發現這些基因在Shewanella種屬的基因組中高度保守。

對于這一基因線路的應用，Barstow表示，他正在設計一種可以將有機分子轉化為生物燃料的細菌，目前有兩種想法：一是將上述5個基因轉入到現有的工程菌細菌中，提高生物反應轉化效率;二是以S. oneidensis為底盤細胞，利用電極使其將二氧化碳轉化為甲酸等物質。

微生物電池還有多久能取代現有的電池？Barstow表示，“如果我們獲得資金，它可能只需要五年時間就能實現。”

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