近期，我校生物工程学院刘立明教授团队在调控微生物电子传递效率方面取得重要进展，研究成果“Shortening electron transfer distance to enhance chemicals and electric energy production in Escherichia coli”正式发表于Chemical Engineering Journal (IF = 13.3)。
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微生物细胞工厂提供了一种经济效益高的策略，可以从可再生和低成本的碳源中生产药品、能源和有价值的化学品。微生物细胞工厂中产品合成途径的效率可能受到细胞内电子丰度的影响。然而，调节电子传递效率以改变细胞内电子丰度是具有挑战性的。本研究的目标是通过减少电子传输距离来提高电子传递效率，从而增强化学品和电能的生产，为实现这一目标，本研究开发了两个创新系统：电子外排系统（EET）和光驱动的胞内电子再生系统（ERS）。
首先，基于电子传输途径（AEC4）和空间工程设计了电子外排系统（EET），通过蛋白质工程改造限速酶（CymA和MtrC）并引入新的靶蛋白（FZ3和8B6）重构AEC4，利用周质工程和生物被膜工程分别缩短了电子在周质空间和到电极的传输距离，使得电子有效地传输到电极。其次，利用自合成的生物杂合光合系统和蛋白牢笼工程开发了电子再生系统（ERS），生物杂合光合系统在发酵过程中展现了遗传稳定性、无需电子牺牲试剂、使用简单的生物方法即可增强生物相容性等优势；蛋白牢笼工程被用于减少电子与酶之间的传输距离，提高了生物-无机界面处的电子传输效率，同时提供反应区室增强对关键酶的电子的定向供应，并增加途径酶的浓度，从而改善了产品合成。第三，通过分别实施EET和ERS，改善了辅因子供应与生物合成途径之间的适配性。本研究开发的方法具有如下优势：（i）过量的还原当量可以通过EET回收为电能，同时促进氧化型产品的生产；（ii）ERS用于捕获光能以进行还原当量再生，从而增强还原型产品的生产。
近年来刘立明教授团队以合成生物学科学理论为指导，在高效合成高值化合物细胞工厂构建及酶工程方面开展了系统性的研究，并取得了一系列原创性研究成果，部分成果已发表在Nature Catalysis (2021, 2020)、Nature Communications (2024, 2022, 2021, 2019, 2018)、Angewandte Chemie International Edition (2024, 2023, 2022)、Chemical Engineering Journal (2024, 2023)、ACS Catalysis (2021, 2020,2017)、ACS Sustainable Chemistry & Engineering (2024, 2023)等本领域权威期刊。
文图 | 梁光杰
编辑 | 许明聪
审核 | 聂 尧
责编 | 韩 俊
