电子巴士：高效细胞外电子传递新机制 | Cell Press青促会述评

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

第十八期专栏文章，由东北大学材料科学与工程学院教授、原中国科学院金属研究所青促会会员 徐大可，就Cell 中的论文发表述评。

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细胞外的电子穿梭载体一直是生物被膜细胞外电子传递（EET）研究的瓶颈问题之一。高效的EET是生物被膜在各种极端条件下“适者生存”的保证，在最极端条件下（无营养物质），生物被膜甚至可以通过细胞外电子传递“吃电子”（从金属获得电子），从而维持其生存，而这一金属与微生物间的电子传递导致的微生物腐蚀每年能造成全世界上千亿美元的经济损失。

与细胞色素和纳米线促进EET研究的快速发展相比，可溶性电子载体（物理扩散）如何促进EET的研究进展十分缓慢。这些电子载体如何在生物被膜内持续介导EET而不流失于环境中，一直是一个长期存在且没被阐明的研究难题。

从植物根际到动物体内的厌氧消化，乃至人类慢性感染，生物被膜在这些自然以及生物体环境中几乎无所不在。在生物被膜中，受物质浓度梯度的影响，微生物的代谢具有明显分层的特点。例如，在生物被膜中，受扩散的影响，氧气在整个生物被膜中是呈梯度分布的，生物被膜外层的微生物对于氧气的消耗明显要快于生物被膜底层，以致于膜下微生物虽然具有丰富的电子供体，但缺乏电子受体。为解决这一问题，微生物采取的普遍策略是将来自细胞内代谢的电子通过细胞外电子受体进行远距离传递，这一过程被称为“细胞外电子传递”。关于细胞外电子传递的工作近年来一直是微生物领域中研究的热点问题，其中关于细胞外膜蛋白和导电纳米线介导的直接电子传递相关工作分别发表在Cell（2019）和Nature（2020）上。细胞外电子传递也需要电子载体作为电子与细胞外氧化剂的“桥梁”。但受制于生物被膜中细胞外基质的复杂性以及小分子代谢物的细胞水平研究瓶颈，目前人们对于可溶性电子穿梭体载体的认知还不是十分清晰。

昨天Cell最新上线了题为Extracellular DNA Promotes Efficient Extracellular Electron Transfer by Pyocyanin in Pseudomonas aeruginosa Biofilms的研究论文。这篇文章以铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）为研究对象，发现了在其生物被膜中作为电子穿梭载体的吩嗪类化合物通过与细胞外DNA结合而被截留在生物被膜中，进而与生物被膜成分共同介导了高效的细胞外电子传递，以支持细菌代谢活动（图1）。

▲图1 生物被膜利用电子载体促使胞外电子传递进行的发生机制

铜绿假单胞菌是自然界中的常见微生物，因其能够引起人类的慢性感染类疾病而广为人知。铜绿假单胞菌能在伤口表面快速形成生物被膜并对常规抗生素具有较高的耐受性，从而导致患者的高发病率和死亡率，而在这一过程中吩嗪类化合物起到了至关重要的作用。科研人员通过构建模型量化了吩嗪在简单生物被膜系统中的滞留率，发现铜绿假单胞菌分泌的三种不同类型的吩嗪类物质在生物被膜中的作用与滞留程度区别较大。吩嗪-1-羧酰胺（phenazine carboxamide，PCN）和绿脓菌素（pyocyanin，PYO）在生物被膜中的富集度很高，与此相反的是，吩嗪-1-羧酸（phenazine carboxylate，PCA）很容易扩散出去（图1）。这表明菌落生物被膜中含有一种细胞外成分，能有效地结合并截留PYO和PCN。

▲图2 生物被膜保留了PYO和PCN

其次，作者利用等温滴定量热法定量地研究了氧化态PCA、PCN和PYO对29个碱基大小的双链DNA（dsDNA）分子的结合亲和力，发现氧化态的PCA未能结合dsDNA，而氧化PCN和PYO都能结合dsDNA，其中PYO在生物被膜中的截留率显著高于PCN，而PCA没有保留。此外，通过细菌胞内实验也进一步证实了PYO在生物被膜中高截留率。基于以上结果，文章作者揭示了在生物被膜中胞外DNA（eDNA）是负责截留PYO的主要基质成分。

▲图3 铜绿假单胞菌在电极上形成生物被膜并显示出PYO依赖性电导率

▲图4 PYO介导的电子转移比PYO损失快

最后，作者通过叉指式微电极电极阵列（IDA）测试铜绿假单胞菌生物被膜的电化学反应（图3和图4），发现IDA生物被膜能利用PYO进行胞外电子传递，进而用于维持自身的代谢活动，并且该过程中IDA生物被膜只截留了PYO。此外，通过测量PYO介导EET的表观扩散系数（ADC）和PYO的扩散系数，发现电极生物被膜中PYO介导EET的扩散速度要明显快于PYO从IDA生物被膜中扩散出来的速度。

▲图5 吩嗪电子转移和滞留模型的建立

综上所述，此研究明确地回答了在生物被膜基质内，吩嗪类化合物是如何有效完成其氧化还原循环而不至于迅速流失于环境中这一科学难题。在该篇文章报道中，作者建立了关于吩嗪电子转移和滞留的模型（图5），该模型的提出是基于目前所有关于生物被膜中吩嗪类化合物的认知，包括吩嗪类化合物与氧气的反应动力学、氧化还原电位和吩嗪类化合物的生物合成等。并且利用此模型可以清晰地描述在铜绿假单胞菌的生物被膜中PYO通过与eDNA相互结合而被截留在生物被膜中，进而高效介导了胞外电子传递。据此，我们有理由相信利用eDNA或者是其他生物分子截留电子传递载体是细菌用于维持自身生物被膜代谢的通用生存策略，该策略以一种我们意想不到的方式构建了一套精细的胞外反应矩阵，以此有效维持着生物被膜的完整性。

论文摘要

在缺乏电子受体或电子供体的混菌生物被膜中，细胞外电子穿梭载体的氧化还原循环有利于膜内亚群的生长和代谢活动。但是，这些穿梭载体如何在生物被膜内介导细胞外电子传递（EET）而不流失于环境中，仍然是长期未能阐明的科学难题。本文报告了吩嗪会通过与铜绿假单胞菌生物被膜中的细胞外DNA（eDNA）相互作用进而介导高效的EET。与eDNA结合促进了绿脓杆菌素（PYO）和吩嗪甲酰胺在生物被膜基质中的滞留。在体外，不同的吩嗪类化合物可以在有无DNA的情况下交换电子，并通过DNA直接参与氧化还原反应。在体内，生物被膜eDNA还可以支持氧化还原嵌入剂之间的快速电子转移。这些结果共同揭示了PYO:eDNA的交互作用支持一个高效的氧化还原循环反应，其介导的EET过程快于PYO从生物被膜向外扩散的流失速度。

Redox cycling of extracellular electron shuttles can enable the metabolic activity of subpopulations within multicellular bacterial biofilms that lack direct access to electron acceptors or donors. How these shuttles catalyze extracellular electron transfer (EET) within biofilms without being lost to the environment has been a long-standing question. Here, we show that phenazines mediate efficient EET through interactions with extracellular DNA (eDNA) in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Retention of pyocyanin (PYO) and phenazine carboxamide in the biofilm matrix is facilitated by eDNA binding. In vitro, different phenazines can exchange electrons in the presence or absence of DNA and can participate directly in redox reactions through DNA. In vivo, biofilm eDNA can also support rapid electron transfer between redox active intercalators. Together, these results establish that PYO:eDNA interactions support an efficient redox cycle with rapid EET that is faster than the rate of PYO loss from the biofilm.

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述评人简介

徐大可

原中国科学院金属研究所青促会会员

东北大学材料科学与工程学院教授、博士生导师

徐大可，东北大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，沈阳材料科学国家研究中心微生物腐蚀方向PI（原中国科学院金属研究所青促会会员）。

Dake Xu is a professor of School of materials science and engineering, Northeastern University, China. He is a PI of Shenyang National Laboratory for Materials Science, responsible for the research of microbiologically influenced corrosion. He obtained the membership of Youth Innovation Promotion Association, Chinese Academy of Sciences when he worked for Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences.

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell上，

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