基于合成生物学技术的微生物燃料电池菌种分子育种研究_微生物分子生物学技术

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基于合成生物学技术的微生物燃料电池菌种分子育种研究

雍阳春*，孙建中

江苏大学生物质能源研究所，江苏省镇江市学府路301号，212013；*email:

微生物燃料电池(MFC)是一种将生物可利用有机质(包括工农业废弃物、污水中的有机物等)直接转化为电能的新型生物产能装置，可同时实现有机污染物处理和直接产电。其操作条件温和、能量转化效率高、绿色无污染，是一种理想的节能环保生物能源新技术(1，2)。但是，高性能产电微生物菌种的缺乏严重制约了MFC的工业化进程。

本实验室系统分析研究了用于MFC的产电微生物的底物电子释放机制和胞外电子传递机制，在此基础上首次提出并通过合成生物学技术对产电微生物进行定向改造，使微生物的电化学活性及其MFC的产电性能大幅提高(3，4)。一方面，我们研究发现微生物胞内乳酸合成途径是造成胞内电子释放效率低下的主要原因之一。我们通过代谢工程手段，将乳酸合成途径阻断(即敲除乳酸合成关键酶基因ldhA，构建基因工程菌ldhA−)，成功将胞内电子释放到胞外电极，提高了MFC的产电性能(3)。在双室MFC微生物燃料电池中进行研究发现，基因工程菌ldhA−产电性能较原始菌株大幅提高(最高电流提高约30倍，稳定时间至少延长2倍。另一方面，微生物细胞膜通透性差是制约微生物胞内电子向胞外传递效率的瓶颈。我们通过将来源于Pseudomonas的大孔径细胞膜孔蛋白(OprF)人工异源表达在大肠杆菌细胞外膜，通过荧光和酶学方法证实该蛋白的表达使大肠杆菌膜通透性显著提高。进一步，在恒电位放电实验和MFC中研究发现，该基因工程菌(oprF)产电性能大幅提高，并进一步对其机制进行了深入研究。本研究表明微生物菌种的分子育种对提高MFC性能起着关键性作用；而合成生物学技术的应用使MFC菌种的分子育种研究迈上了新的台阶，将加速推进MFC的工业化进程。

参考文献：

1.Logan BE and Rabaey K.2012.Science, 337:686-690.2.Yong YC, et al.2012.ACS Nano, 6: 2394-2400.3.Yong YC, et al.2012.Electrochemistry Communications, 19: 13-16.4.Yong YC, et al.2011.Biosensors & Bioelectronics, 30: 87-92.