江苏大学雍阳春团队单细胞发电获突破中国

近日，江苏大学雍阳春团队在NatureCommunications期刊上发表了题为：“Singlecellelectroncollectorforhighlyefficientwiring-upelectronicabiotic/bioticinterface”（单细胞电子捕集器强化生物/非生物界面的电子传递）的研究论文。俞洋洋、王彦斋为第一作者；施伟、雍阳春为共同通讯作者。

该研究提出了“单细胞电子捕集器”新概念，实现了“将电极建在细胞上”新思想，在单细胞水平上开辟了微生物胞外电子传递强化新途径，突破了生物/非生物固态界面电子传递极限，为污染物高效资源化利用、高效微生物电化学系统及高性能单细胞发电机的设计提供了新工具和新机遇。

全文速览

该研究提出了单细胞电子捕集器的新概念，并设计S捕集器及SP捕集器两种不同的单细胞电子捕集器，突破了“3D柔性细胞”与“2D刚性固态电极”界面设计传统思想，将“电极建在细胞上”，实现了生物电子的单细胞原位收集。S捕集器是通过多巴胺在ShewanellaoneidensisMR-1（SW）细胞上的原位聚合组装而成。S捕集器的“柔性可塑”特性使它能够与3D柔性细胞表面几乎所有的细菌跨膜电子通道相连接，实现高效电子跨膜传输。进一步研究发现，细胞周质空间存在大量的“电子阱”，是导致生物/非生物界面传递效率低的主要原因之一。研究团队通过微生物矿化作用调节FeS纳米颗粒在细胞表面和周质空间原位组装，设计合成了SP捕集器。SP捕集器除了具有S捕集器的功能，还能与细胞周质空间电子通道蛋白一起形成杂合的“蛋白-FeS”跨膜电子通道，将细胞周质空间“电子阱”内电子传输到胞外，实现更高效的界面电子传输效率。研究团队利用新型的单细胞电子捕集器可使单个细胞与固体电极界面的电子转移效率提高至以可溶性物质作为电子受体的水平，达到~2.5×s1cell1电子，突破了生物/非生物界面电子传递极限。此外，接种SW

SP捕集器的微生物燃料电池（MFC）最大输出功率为3.21W·m-2，是该模型菌株的最高记录。本研究在单细胞水平上开辟了生物/非生物界面电子传递强化的新途径，有望突破生物/非生物界面电子转移的限制，并将为单细胞发电机、环境修复及光/电杂合生物催化提供新的机遇。

引言

活细胞与固态电极形成的生物/非生物的电子界面是生物电子器件构建及其应用的关键。近年来，随着微生物细胞与固体电极界面双向胞外电子传递的发现及深入研究，基于微生物胞外电子传递的生物电化学系统(BES)在环境污染治理、污染物能量与资源回收、生物电化学催化、生物传感等领域展现了广阔的应用前景。然而，细胞与电极之间的生物/非生物界面电子交换效率低，极大地限制了BES的性能和实际应用。

因此，许多人致力于提高生物/非生物界面电子交换的效率。到目前为止，BES中使用的这些生物/非生物界面构建通常是“自上而下”的模式：预先制备一个宏观非生物表面，然后将细胞随机地附着到该表面上形成生物/非生物界面，但该界面的电子传递仍受到以下限制（图1）:（1）只有与非生物表面接触极为密切的跨膜电子传递通道可以进行有效的电子传递。但是由于细胞“3D柔性”特性，大部分细胞表面的电子传递通道难以与“2D刚性”非生物界面进行有效接触，难以实现界面电子传递(idleconduits)；（2）在细胞周质空间没有跨膜电子传递能力的电子传递通道(deadconduits)将无法参与界面电子传递，并形成“电子阱”，使界面电子传递效率难以提高。研究团队提出了一种“自下而上”的“将电极建在细胞上”的新思想，展示了“单细胞原位电子捕集器”的新概念，在单个细胞上构建原位电子捕集器（互连的完整导电微纳界面），从而在单细胞水平上获得最大化电子转移速率和电子回收效率。

主要图文导读

图1.电极和微生物细胞之间界面的电子转移示意图。（a）在原始细胞上，只有部分细菌跨膜电子通道与电极接触，还有很大一部分电子通道处于“闲置”状态，限制其最大电子转移效率。(b)研究团队提出了的一种包裹在细菌外膜表面(Cell

S)的电子捕集器（S捕集器），它可以保证S捕集器与细菌跨膜电子通道蛋白之间极其紧密的接触。此外，互连的导电网络可以最大化单个细胞与生物表面之间的电子界面。因此，S捕集器可以将连接细胞表面几乎所有的“闲置”电子传递通道（idleconduits），并改善界面电子传递效率。（c）研究团队提出的表面和周质单细胞原位电子捕集器（SP捕集器）(cell

SP)。SP捕集器不仅通过表面电子捕集器将细胞表面“闲置”的电子传递通道连接起来，而且还将周质空间无法参与界面电子传递的电子传递通道（deadconduits）与电子捕集器网络连接起来，最大程度提高界面电子转移效率。

图2.S捕集器在ShewanellaoneidensisMR-1(SW)单细胞上的组装。（a）S捕集器原位组装示意图。利用多巴胺在细胞表面原位聚合形成具有电活性的聚多巴胺（PDA）纳米壳层，从而形成单细胞S捕集器。（b）原始SW细胞电镜照片。(c)SW

S细胞的电镜照片。通过简单地控制聚合时间，对比原始SW细胞观察到PDA纳米颗粒紧密包裹在细胞外膜。（d）和（e）分别为天然SW细胞切片和SW

S细胞切片后TEM照片。该结果显示在细胞表面上组装了几乎完全覆盖和互连的PDA纳米壳（f）SW

S细胞的死/活荧光显微镜图像。绿色荧光显示活细胞；红色荧光表示死亡细胞。通过统计分析显示S捕集器组装过程对细胞伤害较小，细胞存活率达到99.1±0.1%。比例尺：b,cnm；d,enm；f20μm，f放大图2μm。

图3.SP捕集器在SW单细胞上的组装。(a)SP捕集器原位组装示意图。FeS纳米粒子由于其易于生物合成、高电活性和生物相容性而被选择用于SP捕集器的组装。FeS的合成主要依赖于SW细胞的生物矿化作用。(b)Cell

SP细胞的SEM图像。图中显示原位合成的FeS纳米颗粒密集地锚定在细胞表面上并完全覆盖细胞表面。(c)去除细胞表面纳米颗粒的SW

SP细胞切片的HAADF-STEM图像。该图片显示细胞周质空间也合成了大量的纳米颗粒，同时也观察到一些纳米颗粒包埋在细胞外膜中。(d)和(e)SW

SP细胞切片的Fe或S元素分析，证实这些纳米颗粒主要由铁和硫组成。(f)SW

SP细胞的活/死荧光显微镜图像，绿色荧光表示活细胞，红色荧光表示死细胞，揭示了FeS纳米颗粒包封的细胞保持了较高的存活率(98.3±0.3%)。标尺：b、c、d、enm；f20μm，f放大图2μm。

图4.SW

S的电化学性能。(a)SW

S在微生物燃料电池(MFC)中的输出电流约为天然SW的1.9倍，这表明S电子捕集器显著提高细胞与固体电极表面电子传递。进一步发现，MtrA或MtrC/OmcA（跨膜电子传递通道的主要成分）的敲除极大地抑制了（超过80%）天然SW或SW

SMFC的电流输出，揭示S捕集器主要与跨膜电子传递通道连接。(b)利用循环伏安法(CV)分析了SW

SMFC中S捕集器与MtrC/OmcA（跨膜导管的外膜组分）之间的相互作用。对于原始SW细胞，在背景扣除的CV曲线中观察到MtrC/OmcA氧化还原峰。利用SW

S的CV曲线扣除MtrC/OmcA突变体的背景CV，观察到SW

S细胞与原始SW细胞相比具有更高的MtrC/OmcA峰电流和更大的峰面积，表明SW

S有更多的MtrC/OmcA被S捕集器连接，结果证明了S捕集器可以通过有效连接跨膜电子传递通道，显著提升界面电子传递效率。(c)SW

S细胞的胞外电子传递机理图。

图5.SW

SP的电化学性能。(a)SW

SP明显提高MFC的电流输出。值得注意的是，MtrC/OmcA的缺失仅部分抑制（38.1%）具有SP捕集器的细胞（DMtrC/OmcA

SP)的电流输出，结果表明MtrC/OmcA并不是SW

SP细胞唯一的跨膜电子通道，这与SW细胞或SW

S细胞有很大不同。（图5b)灭菌的SW

SP的CV曲线显示出明确的氧化还原对，其归因于FeS中硫化合物的氧化还原转化。对于活的SW

SP细胞或DMtrC/OmcA

SP细胞，可以观察到可能属于细胞氧化还原组分的阳极峰（图5b)。与SW

SP相比，DMtrC/OmcA

SP在turnover条件下显示出显著峰位移和催化电流降低（图5c)，表明MtrC/OmcA被SP捕集器连接，在界面电子传递中发挥作用。研究发现，除了MtrC/OmcA的阳极峰之外，还存在另一个阳极峰，并且在MtrC/OmcA缺失之后观察到显著的催化电流(DMtrC/OmcA

SP)（图5b和c）。这些结果表明，SP捕集器可能建立了除MtrC/OmcA-MtrB-MtrA外的另一个跨膜电子传递通道。（图5a)多硫化物还原酶（FeS生物合成相关酶，PsrABC）抑制剂五氯苯酚(PCP)的加入，显著抑制了SW

SPMFC的电流输出，而原始SW加PCP的对照组几乎没有影响（补充材料）。这些结果表明，在原始SW和SW

S细胞中不参与跨膜电子传递的PsrABC，在SW

SP细胞中参与了跨膜电子传递，且起重要作用。综上所述，这些结果表明SP捕集器可能可以以同时连接细胞表面“闲置”的跨膜电子传递通道和周质空间“死”的电子传递，将细胞周质空间限制与“电子阱”的电子通过FeS-PsrABC“人工跨膜电子传递通道”传递到细胞外（图5d)，从而为生物/非生物界面电子传递提供独特的优势。

图6.测量了MFC的极化曲线和功率输出曲线，进一步定量评价了单细胞电子捕集器的性能。如图6b所示。接种SW

S或SW

SP的MFC获得的极化曲线斜率比具有原始细胞的极化曲线的斜率小得多，这意味着较小的内阻，这与电化学阻抗谱(EIS)分析结果一致（图6a)。结果显示，这些单细胞电子捕集器使MFC的功率输出大大提高（图6c）。令人印象深刻的是，SW

SP细胞MFC的最大功率密度达到3.21W·m-2，比原始SW细胞的功率密度(0.W·m-2)高14.7倍，是目前为止该SW菌株的最高MFC输出记录（图6c），为高性能单细胞发电机设计与构建提供了新机遇。

主要作者介绍

雍阳春，教授/研究员、博士生导师，现任江苏大学生物质能源研究院院长。江苏省杰出青年基金、教育部霍英东基金获得者；入选江苏省“双创人才”、江苏省“双创团队”、江苏省中青年学术带头人、江苏省“六大人才高峰”。主要以微生物电子传递机制及创新应用为主线，以生物工程和环境工程技术为核心基础，生物电化学及纳米材料为特色，结合利用合成生物学、组学及生物纳米技术，瞄准并解决环境生物技术领域国际前沿重大关键科学问题。研究领域包括以生物电子传递为基础的有毒难降解污染物生物处理、污染物/废弃物定向转化、生物传感器和可编程智能微生物电子器件等。以第一/通讯作者在国际权威学术期刊如Nat.Commun.,AngewChemIntEd,ACSNano,ACSCatalysis等共发表SCI研究论文60余篇，H-index为25，单篇最高SCI引用余次，申请发明专利20项(授权10项)。目前兼任FrontiersinMicrobiology副主编，BioprocessandBiosystemsEngineering、BioresourcesandBioprocessing、《应用与环境生物学报》编委，ProcessBiochemistry客座编辑。

论文链接：

转载请注明地址:http://www.1xbbk.net/jwbjj/5377.html

上一篇文章： 科学主刊复旦科研团队设计纳米人造

下一篇文章： 一切成功,都归结于利他之心澎湃在线