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遇见·摘要
作为世界上最大的可再生碳资源，纤维素生物质被认为是替代化石资源生产高价值化学品和能源的重要碳源。然而，不同于用于生产第一代生物燃料的底物（例如糖、淀粉、植物油），纤维素生物质中主要含有己糖和戊糖，要将这些复杂的碳源转化为清洁能源或高价值化学品需要开发更强大的催化系统。生物电化学系统（BES）作为一种新型的生物催化技术，在有机废水降解、微生物电合成、电发酵、生物传感等领域具有巨大的应用潜力。Shewanella oneidensis MR-1作为生物电化学系统的典型催化剂，由于缺乏葡萄糖和木糖代谢相关的基因，至今还不能有效地利用纤维素水解物进行电能生产。
近日，天津大学李锋和东北大学宋浩教授团队在《Chemical Engineering Journal》（Q1，IF = 13.4）发表了题为“Engineering Shewanella oneidensis to efficiently co-utilize glucose and xylose for converting cellulose hydrolysate from corn stover to electricity”（https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159574）的研究。东北大学生科院讲师张君奇博士为论文一作，宁夏大学生科院辛国省教授、天津大学化工学院合成生物学国家重点实验室李锋和东北大学生科院宋浩教授为论文通讯作者。
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遇见·内容
在本研究中，为了使S. oneidensis能够同时利用纤维素水解液中的葡萄糖和木糖进行清洁电能生成，该团队采用模块化改造策略对S. oneidensis进行了改造，包括强化葡萄糖代谢途径、重构木糖利用途径，并在磷酸烯醇式丙酮酸转移酶系统中依次敲除膜蛋白复合物EIIB/C and EIIAglc蛋白减轻葡萄糖抑制效应。（图1）
为了使S. oneidensis能够快速高效地利用葡萄糖，将来自Zymomonas mobilis Z4的glf（编码葡萄糖转运蛋白），glk（编码葡萄糖激酶），和edd（编码磷酸葡萄糖酸脱水酶）基因在敲除nagR的工程S. oneidensis菌中重新组合表达使其能够利用葡萄糖作为细胞生长和电子产生的碳源，从而有效提高胞外电子转移（EET）速率。（图2）
与此同时，为了使S. oneidensis能够利用木糖进行生长，将来自Candida intermedia 的gxf1基因与来自Caulobacter crescentus的Weimberg途径基因簇（xylABCDX）引入S. oneidensis中，使其能够将木糖转化为细胞生长和电子生成所必须的碳源，有效增强了胞内电子生成。（图3）
随后，为了使S. oneidensis能够同时利用葡萄糖和木糖来进行细胞生长和电子生成，将成功构建的葡萄糖代谢模块与木糖代谢模块重新进行整合，结果发现工程菌在葡萄糖和木糖双糖供应下的细胞生长、葡萄糖代谢、木糖代谢以及电子生成能力均有不同程度降低，推测葡萄糖木糖同时作为电子供体时，很可能是葡萄糖抑制效应导致木糖无法被高效共利用，影响了电子输出。（图4）
为了解除葡萄糖抑制效应，有效激活木糖代谢，先后敲除了ptsG和ccr基因后，细胞生长速率、葡萄糖木糖消耗速率以及产电能力均有所提高，获得的最大功率密度达到234.50±10.23 mW m−2，表明缓解葡萄糖的抑制效应能够促使希瓦氏菌从葡萄糖和木糖中获得更多的电子，并进一步提高细胞外电子传递的速率。（图5）
基于转录组学进一步解析了突变菌∆WG-∆CcR在双碳源条件下促进细胞生长和电子传递的潜在机制。结果发现：在希瓦氏菌中减轻葡萄糖抑制效应可激活乙醛酸循环，补偿了TCA循环，从而维持细胞生长并加速还原力的产生。（图6）
最后，为了评估程S. oneidensis菌从富含木质纤维素的生物质中收集电子能力，我们以实际玉米秸秆纤维素水解物为目标，构建了直接以玉米秸秆纤维素水解液中葡萄糖和木糖为电子供体的生物电催化系统，并对其产电能力、生物膜结构以及菌株活性进行分析，结果表明，通过重建和优化S. oneidensis中的葡萄糖和木糖共代谢途径，提升混糖共利用能力的同时，可将废弃木质纤维素转化为清洁电能，为清洁电力生产提供了新的供应平台。（图7）
综上所述，该研究通过模块化工程策略，强化葡萄糖代谢途径，重建木糖利用途径，并开发了葡萄糖和木糖共同利用途径，赋予S. oneidensis共同利用葡萄糖和木糖进行能量转化的能力，表明通过模块化策略构建能够高效协同利用葡萄糖和木糖的工程菌株，是将废弃木质纤维素转化为清洁能源的重要一步。该研究得到了国家重点研发计划（2018YFA0901300），国家自然科学基金项目（32060017, 32001034和22478293）。
近些年，李锋团队在电能细胞的构建与应用方向取得系列重要成果，相关成果陆续发表在Joule (2024),Nature Communications (2018，2025), Advanced Science (2023,2024,2024), Research (2023), Chemical Society Reviews(2024), Biotechnology Advances (2020,2022,2023,2023), Nano Energy (2023), ACS Catalysis (2018), Chemical Engineering Journal (2024, 2025)，ACS Sustainable Chemistry & Engineering (2024), ACS Synthetic Biology(2018,2023,2023,2024)等期刊上。
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遇见·致谢
感谢宋浩教授/李锋副教授课题组对本号的支持，感谢该课题组提供本文稿件支持！
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遇见·往期
