以电能细胞为主导的微生物电化学系统在固碳固氮、清洁能源开发、环境和健康监测、可穿戴/植入式设备供电、可持续化学品生产等方面中发挥着关键作用。电活性生物膜为电极表面形成的电能细胞群落，能够将细胞内电子传递到电极，在微生物电化学系统（microbial electrochemical systems，MES）进行能源、化学品的可持续生产中起着关键作用[1,2]。然而，其有限的形成能力和不足的导电性限制了胞外电子传递（extracellular electron transfer, EET）速率及其在MES中的实际应用[3]。前期研究主要关注于从单细胞水平提高电子的产生及电子传递速率，而在多细胞水平上提高生物膜与电极之间的电子传递速率还没有得到系统地研究[4,5]。

该研究首次从生物膜形成、成熟、消散的全周期角度，采用合成生物学策略增强了生物膜的形成能力和导电性。

 

 

为了解决电能细胞生物膜初始形成能力低和导电性差的关键问题，宋浩教授团队首次提出了导电生物膜全周期调控和构建策略。采用合成生物学模块化策略，从生物膜形成、成熟、消散的全周期角度，工程改造生物膜形成的初始接触阶段I、细胞粘附阶段II、生物膜生长阶段III、稳定成熟阶段IV、生物膜消散阶段V，促进生物膜的形成能力，并增强其导电性（图1）。为了提高电活性生物膜的形成能力，该团队通过调节细胞外多糖的疏水性，增强了细胞-电极接触初期界面的亲和力和覆盖度；通过增加“导电胶水”eDNA的含量，促进了细胞-细胞的粘附作用；在生长期通过调节c-di-GMP的含量，增加了生物膜的垂直延伸，增强了生物膜的三维结构。为了提高电活性生物膜的导电性，该团队在生物膜形成的稳定成熟阶段加强了外膜c型细胞色素（c-type cytochrome, c-Cyts）及核黄素的合成，提高了天然电活性生物膜单个细胞的EET速率。在此基础上，进一步构建了工程化Shewanella-reduced graphene oxide (rGO)-carbon nanotubes (CNTs)三维自组装人工导电生物膜，提高了电活性生物膜在成熟分散阶段的电子收集能力，同时降低了内阻。该工程化电活性生物膜的输出功率密度最高达到3.62±0.06 W m^-2，较野生型提高了39.3倍。

 

图1 模块化全周期生物膜工程改造促进生物膜形成和电导

（图源：FENG LI, et al., Research. 2023）

 

在生物膜形成的初始接触阶段(I)，为了提高细胞-电极接触初期界面的亲和力和覆盖度，通过敲除影响细胞表面疏水性的表面多糖基因so1860和so3171，提高了细胞表面疏水性，增强了细胞与电极表面的相互作用，增加了细胞在电极表面的覆盖率，促进了生物膜的形成，从而提高了生物膜EET速率（图2）。

 

图2 初始接触阶段(I)工程化生物膜形成细胞-电极界面的相互作用

（图源：FENG LI, et al., Research. 2023）

 

在生物膜形成的粘附阶段(II)，为了提高细胞-细胞的粘附作用，通过敲除降解eDNA的胞外核酸酶基因exeS和exeM，提高了胞外eDNA积累，增强了细胞-细胞相互作用能的能量和黏度，促进了生物膜的形成和电子转移，从而提高了生物膜的EET速率（图3）。

 

图3 粘附阶段(II)工程化生物膜形成细胞-细胞相互作用

（图源：FENG LI, et al., Research. 2023）

 

在生物膜形成的生长阶段(III)，为了增加生物膜的垂直延伸，通过敲除降解c-di-GMP的水解酶基因so1942、so3491和so4711，提高了胞内c-di-GMP积累，增加了生物膜基质的分泌，抑制了细胞表面鞭毛的形成，促进了细胞表面菌毛形成，从而加强了生物膜形成中的垂直延伸结构，增强了生物膜的三维结构，提高了生物膜的EET速率（图4）。

 

图4 生长阶段(III)工程化生物膜形成的垂直延伸

（图源：FENG LI, et al., Research. 2023）

 

在以上三个模块都极大地增加了生物膜的形成和传导能力的基础上，该研究将编码细胞表面多糖生物合成酶基因so3171、编码胞外核酸酶基因exeS、编码c-di-GMP水解酶基因so1942和so3491组合缺失或失活，极大地增加了生物膜的厚度和导电性（图5）。

 

图5 模块化组合生物膜形成的三个阶段(I-III)促进电活性生物膜形成

（图源：FENG LI, et al., Research. 2023）

 

在生物膜形成的稳定成熟阶段(IV)，为了进一步提高电活性生物膜的导电性，该团队通过加强表达外源外膜c型细胞色素（c-Cyts）（来源G. sulfurreducens的OmcC和OmcE，来源Sideroxydans lithotrophicus的MtoA），显著提高了电活性生物膜与电极界面的EET速率（图6）。

 

图6 成熟阶段(IV)过表达外源外膜c-Cyts提高EET效率

（图源：FENG LI, et al., Research. 2023）

 

通过加强表达来源Bacillus subtilis的核黄素合成基因簇ribADEHC，进一步提高了电活性生物膜与电极界面的EET速率（图7）。

 

图7 成熟阶段(IV)工程化天然电活性生物膜的胞外电子传递

（图源：FENG LI, et al., Research. 2023）

 

在生物膜的成熟消散阶段(V)，为了进一步提高库伦效率，该研究构建了Shewanella-reduced graphene oxide (rGO)-carbon nanotubes (CNTs) 三维自组装人工导电生物膜，提高了人工电活性生物膜在成熟分散阶段的电子收集能力，同时降低了内阻。该工程化电活性生物膜的输出功率密度最高达到3.62±0.06 W m^-2，较野生型提高了39.3倍（图8）。

 

图8 成熟消散阶段(V)构建三维自组装人工电活性生物膜

（图源：FENG LI, et al., Research. 2023）

 

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究首次提出了电能细胞导电生物膜全周期调控和构建策略。采用合成生物学模块化策略，从生物膜形成、成熟、消散的全周期角度，工程改造生物膜形成和导电性。为了提高生物膜的形成能力，该团队通过在初始接触阶段调节细胞外多糖的疏水性，增强细胞-电极接触初期界面的亲和力和覆盖度；通过在细胞粘附阶段增加eDNA含量，促进细胞-细胞的粘附作用；通过在生长阶段提高c-di-GMP含量，增加生物膜的垂直延伸。为了提高生物膜的导电性，该团队通过在稳定成熟阶段强化外膜c-Cyts及核黄素的合成，提高单个电能细胞的EET速率。为了提高库伦效率，在此基础上构建了Shewanella-rGO-CNTs三维自组装人工导电生物膜，其输出功率密度最高达到3.62±0.06 W m^-2，较野生型提高了39.3倍。该研究构建的高导电生物膜将为电催化系统在能源、化工、环境和生物电子在碳中和、能源、环境、化工和医疗等诸多领域的实际应用奠定技术基础[6]。