傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，大腸桿菌（Escherichia coli）缺乏完整的胞外呼吸（extracellular respiration）能力，因其基因組中未編碼典型的細(xì)胞色素c或Mtr型電子傳遞系統(tǒng)，而這些是其他微生物（如希瓦氏菌或地桿菌）進(jìn)行胞外電子傳遞的關(guān)鍵元件。然而，近期研究表明，大腸桿菌可能在特定條件下激活這一代謝潛能。
為探究氧化還原穿梭體在細(xì)胞內(nèi)的還原機(jī)制及其在細(xì)胞生物能學(xué)中的作用，研究人員開展了關(guān)于大腸桿菌（E. coli ）介導(dǎo)的細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）機(jī)制和生物能學(xué)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)E. coli可利用 2 - 羥基 - 1,4 - 萘醌（HNQ）進(jìn)行細(xì)胞外呼吸，還存在快速遺傳適應(yīng)。這揭示了一種新的厭氧能量代謝類型。
研究人員構(gòu)建了缺乏發(fā)酵途徑關(guān)鍵基因（如乳酸脫氫酶）的突變菌株，迫使其依賴替代能量代謝途徑。通過電化學(xué)分析、轉(zhuǎn)錄組測序及代謝物檢測，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了菌株的電子傳遞效率與能量代謝模式。
圖1 細(xì)胞外呼吸是大腸桿菌的一種潛在能量代謝大腸桿菌（E. coli）能利用 2 - 羥基 - 1,4 - 萘醌（HNQ）進(jìn)行高效的細(xì)胞外呼吸；HNQ 介導(dǎo)的大腸桿菌細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）由硝基還原酶 NfsB 和 NfsA 促進(jìn)；細(xì)胞外呼吸比發(fā)酵具有顯著的生物能優(yōu)勢；短期適應(yīng)導(dǎo)致了 OmpC 突變，使大腸桿菌能夠在陽極上生長?？偨Y(jié)：多種微生物利用氧化還原穿梭體，通過介導(dǎo)的細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）與環(huán)境交換電子，以支持厭氧生存。盡管介導(dǎo)的 EET 已用于生物電催化數(shù)十年，但關(guān)于這些氧化還原穿梭體在細(xì)胞內(nèi)如何被還原以及它們在細(xì)胞生物能學(xué)中的作用仍存在基本問題。在這里，研究人員整合基因組編輯、電化學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)方法，研究大腸桿菌（E. coli）中介導(dǎo)的 EET 的機(jī)制和生物能學(xué)，這一問題二十多年來一直未得到解答。在沒有其他電子受體的情況下，通過細(xì)胞質(zhì)硝基還原酶 NfsB 和 NfsA 對 2 - 羥基 - 1,4 - 萘醌（HNQ）進(jìn)行氧化還原循環(huán)，使大腸桿菌能夠在細(xì)胞外電極上進(jìn)行呼吸。大腸桿菌在外膜孔蛋白 OmpC 上也表現(xiàn)出快速的遺傳適應(yīng)，增強(qiáng)了與生長相關(guān)的 HNQ 介導(dǎo)的 EET 水平。這項(xiàng)工作表明，大腸桿菌可以獨(dú)立于經(jīng)典的電子傳遞鏈和發(fā)酵進(jìn)行生長，揭示了一種可能廣泛存在的新型厭氧能量代謝。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)
電子傳遞鏈的重構(gòu)：進(jìn)化后的大腸桿菌通過上調(diào)內(nèi)膜醌氧化酶（如CyoABCD）和利用外膜c型細(xì)胞色素（如MtrC同源蛋白）形成簡化但功能性的電子傳遞鏈，將電子從胞內(nèi)傳遞至胞外受體。
能量效率對比：相較于發(fā)酵作用，胞外呼吸產(chǎn)生的ATP效率較低，但在碳源受限時(shí)顯示出生存優(yōu)勢，表明其作為"能量備用策略"的適應(yīng)性意義。
基因表達(dá)可塑性：研究揭示了非經(jīng)典呼吸相關(guān)基因（如cyoABCD、mtrA）的動(dòng)態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，暗示大腸桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)的隱性進(jìn)化潛力。
圖2 HNQ介導(dǎo)的大腸桿菌陽極呼吸機(jī)制的研究
該研究挑戰(zhàn)了對大腸桿菌代謝能力的傳統(tǒng)認(rèn)知，為合成生物學(xué)改造提供了新方向。例如，工程化的大腸桿菌或可用于微生物燃料電池、環(huán)境污染物修復(fù)（如還原重金屬）及新型生物制造平臺(tái)。此外，研究強(qiáng)調(diào)了微生物代謝冗余在環(huán)境適應(yīng)中的重要性，為理解細(xì)菌代謝進(jìn)化提供了理論框架。
作者建議進(jìn)一步解析電子傳遞的分子機(jī)制，并通過理性設(shè)計(jì)優(yōu)化菌株的胞外呼吸效率。同時(shí)，探索其他"非模式微生物"中類似隱性代謝途徑的存在性，可能為微生物能源技術(shù)開辟新路徑。
參考資料
[1] Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，大腸桿菌（Escherichia coli）缺乏完整的胞外呼吸（extracellular respiration）能力，因其基因組中未編碼典型的細(xì)胞色素c或Mtr型電子傳遞系統(tǒng)，而這些是其他微生物（如希瓦氏菌或地桿菌）進(jìn)行胞外電子傳遞的關(guān)鍵元件。然而，近期研究表明，大腸桿菌可能在特定條件下激活這一代謝潛能。
為探究氧化還原穿梭體在細(xì)胞內(nèi)的還原機(jī)制及其在細(xì)胞生物能學(xué)中的作用，研究人員開展了關(guān)于大腸桿菌（E. coli ）介導(dǎo)的細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）機(jī)制和生物能學(xué)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)E. coli可利用 2 - 羥基 - 1,4 - 萘醌（HNQ）進(jìn)行細(xì)胞外呼吸，還存在快速遺傳適應(yīng)。這揭示了一種新的厭氧能量代謝類型。
研究人員構(gòu)建了缺乏發(fā)酵途徑關(guān)鍵基因（如乳酸脫氫酶）的突變菌株，迫使其依賴替代能量代謝途徑。通過電化學(xué)分析、轉(zhuǎn)錄組測序及代謝物檢測，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了菌株的電子傳遞效率與能量代謝模式。
圖1 細(xì)胞外呼吸是大腸桿菌的一種潛在能量代謝大腸桿菌（E. coli）能利用 2 - 羥基 - 1,4 - 萘醌（HNQ）進(jìn)行高效的細(xì)胞外呼吸；HNQ 介導(dǎo)的大腸桿菌細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）由硝基還原酶 NfsB 和 NfsA 促進(jìn)；細(xì)胞外呼吸比發(fā)酵具有顯著的生物能優(yōu)勢；短期適應(yīng)導(dǎo)致了 OmpC 突變，使大腸桿菌能夠在陽極上生長?？偨Y(jié)：多種微生物利用氧化還原穿梭體，通過介導(dǎo)的細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）與環(huán)境交換電子，以支持厭氧生存。盡管介導(dǎo)的 EET 已用于生物電催化數(shù)十年，但關(guān)于這些氧化還原穿梭體在細(xì)胞內(nèi)如何被還原以及它們在細(xì)胞生物能學(xué)中的作用仍存在基本問題。在這里，研究人員整合基因組編輯、電化學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)方法，研究大腸桿菌（E. coli）中介導(dǎo)的 EET 的機(jī)制和生物能學(xué)，這一問題二十多年來一直未得到解答。在沒有其他電子受體的情況下，通過細(xì)胞質(zhì)硝基還原酶 NfsB 和 NfsA 對 2 - 羥基 - 1,4 - 萘醌（HNQ）進(jìn)行氧化還原循環(huán)，使大腸桿菌能夠在細(xì)胞外電極上進(jìn)行呼吸。大腸桿菌在外膜孔蛋白 OmpC 上也表現(xiàn)出快速的遺傳適應(yīng)，增強(qiáng)了與生長相關(guān)的 HNQ 介導(dǎo)的 EET 水平。這項(xiàng)工作表明，大腸桿菌可以獨(dú)立于經(jīng)典的電子傳遞鏈和發(fā)酵進(jìn)行生長，揭示了一種可能廣泛存在的新型厭氧能量代謝。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)
電子傳遞鏈的重構(gòu)：進(jìn)化后的大腸桿菌通過上調(diào)內(nèi)膜醌氧化酶（如CyoABCD）和利用外膜c型細(xì)胞色素（如MtrC同源蛋白）形成簡化但功能性的電子傳遞鏈，將電子從胞內(nèi)傳遞至胞外受體。
能量效率對比：相較于發(fā)酵作用，胞外呼吸產(chǎn)生的ATP效率較低，但在碳源受限時(shí)顯示出生存優(yōu)勢，表明其作為"能量備用策略"的適應(yīng)性意義。
基因表達(dá)可塑性：研究揭示了非經(jīng)典呼吸相關(guān)基因（如cyoABCD、mtrA）的動(dòng)態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，暗示大腸桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)的隱性進(jìn)化潛力。
圖2 HNQ介導(dǎo)的大腸桿菌陽極呼吸機(jī)制的研究
該研究挑戰(zhàn)了對大腸桿菌代謝能力的傳統(tǒng)認(rèn)知，為合成生物學(xué)改造提供了新方向。例如，工程化的大腸桿菌或可用于微生物燃料電池、環(huán)境污染物修復(fù)（如還原重金屬）及新型生物制造平臺(tái)。此外，研究強(qiáng)調(diào)了微生物代謝冗余在環(huán)境適應(yīng)中的重要性，為理解細(xì)菌代謝進(jìn)化提供了理論框架。
作者建議進(jìn)一步解析電子傳遞的分子機(jī)制，并通過理性設(shè)計(jì)優(yōu)化菌株的胞外呼吸效率。同時(shí)，探索其他"非模式微生物"中類似隱性代謝途徑的存在性，可能為微生物能源技術(shù)開辟新路徑。
參考資料
[1] Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli
