The Innovation | 疏水界面上的电子搬运工
导 读
胞外电子传递是微生物与细胞外的物质发生电子交换的过程。自然界中存在很多表面疏水物质，如腐殖质-矿物质复合体、难溶于水的硝基芳烃和有机卤化物。以往的研究很少涉及到表面疏水物质的胞外电子转移。本工作探究了电活性菌（能进行胞外电子传递的细菌）在疏水性界面如何调节其呼吸方式及电子转移途径，对理解生物地球化学循环、指导生态修复和工业生产具有重要意义。
图1 图文摘要
胞外电子传递是指微生物胞内代谢过程所产生的电子传递至细胞外的电子受体，或细胞外的电子供体将电子传递至胞内进行代谢的过程。最初，研究人员发现铁、锰矿物可以被一些微生物还原，这些微生物通过向胞外传递电子的方式利用这些固体矿物进行呼吸。此后这一过程被定义为异化金属还原菌的胞外电子传递。胞外电子传递是元素生物地球化学循环与能量交换的重要驱动力，可用于低价值废物和能源的回收利用。具有胞外电子转移能力的微生物被称为电活性微生物，它们可基于细胞膜上的活性蛋白，通过生成导电细胞结构的方式向直接接触的电子受体传递电子，或利用自身分泌的（或环境中的）电子中介体间接地传递电子。
近日，中国科学院城市环境研究所微生物电化学团队基于对矿物疏水界面的研究，发现一种新的胞外电子传递途径（图1）。研究人员通过对无定形水铁矿进行疏水修饰，分析自然界中疏水矿物与微生物相互作用（图2A~B），模拟水铁矿接受来自希瓦氏菌MR-1代谢产生的电子而被还原的过程；实验发现希瓦氏菌MR-1对于疏水矿物的还原速率是亲水矿物的1.8倍（图2C）。而以往通常认为界面的疏水性会导致微生物的胞外电子传递受阻。
图2 无定形疏水铁矿的生物还原 (A) 亲水铁矿表面接触角；(B) 疏水铁矿表面接触角；(C) Shewanella oneidensis MR-1还原
希瓦氏菌可分泌水溶性黄素，此前研究发现其作为电子转运的中介体，接受微生物代谢产生的电子，通过扩散运转至铁矿等电子受体并给出电子。最新研究显示受矿物表面张力影响，核黄素在疏水界面上的介导电子传递作用被削弱（图3）。
图3 水溶性电子中介体作用于疏水界面 (A) 核黄素在上清液和沉淀物中的含量；(B) ~ (C) 外加核黄素对疏水、亲水铁矿生物还原的促进效果
在疏水铁矿作为唯一电子受体的条件下，胞外环境中检测到几种脂溶性醌类，它们在整个铁还原过程中，保持高于亲水铁矿为电子受体时的水平。通过与标准样品的比对，其中一种被定性为辅酶Q6 (UQ-6) (图4)。这是一种包含6个异戊二烯单元的泛醌，它与UQ-7、UQ-8以及甲基萘醌MK-7（数字表示侧链的异戊二烯单元数）等同属希瓦氏菌属膜上的氧化还原电子载体，侧链使醌类得以呈现疏水亲脂的特征，能够在细胞膜内发生作用。
图4 脂溶性醌含量检测
有趣的是，当研究人员向铁矿生物还原体系中加入辅酶Q6，只有疏水铁矿的还原速率提升，而亲水铁矿的还原速率基本没有变化（图5）。也就是说，脂溶性泛醌在胞外环境的疏水界面上促进了电子传递，而对于亲水界面则没有明显效果。由于胞外和胞内环境不同，泛醌在胞外的作用仍需要进一步研究。
图5 辅酶Q6促进疏水铁矿生物还原
电化学测试数据表明，与水溶性的核黄素类似，辅酶Q6的还原峰电位比铁矿的还原峰电位更低，表示辅酶Q6理论上能够向铁矿传递电子（图6A~C）。根据开路电位的实测结果，希瓦氏菌MR-1、核黄素、辅酶Q6、铁矿呈现从低电位到高电位的排布，电子从低电位的电子受体流向高电位的电子供体（图6D）。
图6 电化学分析
总结和展望
本研究团队发现矿物的疏水界面阻碍电活性微生物利用水溶性电子中介体介导胞外电子传递，并促使电活性菌采取差异化的呼吸途径。以辅酶Q6为代表的脂溶性醌类物质在疏水矿物界面上可有效促进微生物胞外电子传递。该成果为理解微生物降解脂溶性有机物的反应机制提供了方向，并为探究土壤和沉积物中的疏水界面反应提供了新的思路。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00029-1
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第二期将以Report发表的“Liposoluble quinone promotes the reduction of hydrophobic mineral and extracellular electron transfer of Shewanella oneidensis MR-1” (投稿: 2020-11-17；接收: 2021-02-28；在线刊出: 2021-04-05)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100104
引用格式：Lin X., Yang F., You L., et al. (2021). Liposoluble quinone promotes the reduction of hydrophobic mineral and extracellular electron transfer of Shewanella oneidensis MR-1. The Innovation. 2(2),100104.
作者简介
赵峰，研究员、博士生导师；国家杰出青年基金获得者、国家万人计划领军人才入选者、中国科学院青年科学家奖获得者。2004年底于中国科学院长春应用化学研究所获博士学位；2005年-2010年6月在德国的University of Greifswald、英国的University of Surrey从事微生物电化学、废水能源化领域的工作。2010年回到中科院城市环境研究所工作至今，已在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Edit.、Chem. Soc. Rev.、Environ. Sci. Technol.、Anal. Chem.和Water Res.等期刊发表论文150余篇；是英国皇家化学学会会士(FRSC)、丹麦技术大学Otto Monsted教授。
研究组网页：http://www.zhaolab.net/
微信公众号：Bioelectrochemistry
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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。往期作者（Volume 1 Issue 1 -- Volume 2 Issue 1）来自全球24个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外。目前有182位编委会成员，来自21个国家；51%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，26位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus等数据库收录。
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