产电微生物基因调控网络的构建和特异性通路分析.PDF

中国生物工程杂志　ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３４（１１）：４２４６ ＤＯＩ：１０．１３５２３／ｊ．ｃｂ 产电微生物基因调控网络的构建和特异性通路分析 徐　军　刘翠翠　丁德武　孙　啸　谢建明 （东南大学生物电子学国家重点实验室　生物科学与医学工程学院　南京　２１００９６） 摘要　研究产电微生物胞外电子传递过程和机制，发现与产电效率相关的关键基因、通路和代谢 物，是微生物燃料电池研究中的关键技术。为了发现在胞外电子传递过程中起到关键作用的基 因以及通路，首先利用比较基因组学的方法，以模式微生物大肠杆菌和同属希瓦氏菌的其他菌株 为参考，构建了Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ．ｏｎｅｄｅｎｓｉｓＭＲ１的全基因组基因转录调控网络，大大扩展了目前已知的 基因调控关系。然后以此网络为基础，结合基于蛋白质相互作用分析得到的胞外电子传递通路， 构建了与胞外电子传递直接传递密切相关的细胞色素Ｃ编码基因及其相关调控基因构成的子网 络，结合全基因组基因表达数据，研究了特异性条件下胞外电子传递的可能通路和基因调控 过程。 关键词　产电微生物　胞外电子传递　基因转录调控网络　基因表达数据分析 中图分类号　Ｑ３４４ 　　环境污染问题和能源稀缺问题受到广泛关注。研 介体进行电子传递。此外，一些产电微生物可以通过 究发现，有些细菌可以在无氧条件下，利用包括重金属 自身产生的电子穿梭体进行电子传递。 在内的各种有机物进行呼吸作用，并释放出电能。这 　　生物膜机制是产电微生物在阳极表面聚集形成生 些细菌被称作产电菌，而利用产电菌进行发电的装置 物膜，通过细胞表面直接接触或纳米导线的作用，将电 ［１］ 子传递到阳极，其中不需要电子介体。纳米导线的存 即为微生物燃料电池。微生物燃料电池 是微生物研 究的前沿热点，其中重要的科学问题之一是阐明产电 在不仅能够使远离阳极的微生物把产生的电子传递给 微生物电子传递的分子机制，揭示产电过程中关键的 阳极，而且还可以促使电子在微生物细胞之间传递，然 基因及通路，从而利用生物工程技术对产电微生物进 而这种参与细胞间电子传递的功能对电子向阳极转移 行科学化改造，提高其产电效率。 的速率有何影响还不确定。 　　希瓦氏菌（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属于革兰氏阴性菌，兼性厌 　　在ＳｈｅｗａｎｅｌｌａｏｎｅｄｅｎｓｉｓＭＲ１的产电模型中，Ｍｔｒ通 氧菌。当以氧气作为最终电子受体时能够产生最大的 路（ＭｔｒＡ—ＭｔｒＢ—ＭｔｒＣ）是主要的直接电子传递路 ［４］ 能量输出，在缺氧条件下，能够还原包括Ｆｅ（ ）和Ｍｎ 径 。这是一条由细胞色素蛋白构成的胞外电子传递 Ⅲ ［２］ 链：首先细胞内膜的ＣｙｍＡ获得底物氧化产生的电子， （ ）等 ，并释放电能。 Ⅳ 并传递给周质的ＭｔｒＡ。同时，ＭｔｒＣ和ＯｍｃＡ通过 型 　　产电微生物在细胞内氧化有机物产电的电子被传 Ⅱ 递至细胞膜外后，将会通过两种传递机制将电子传递 分泌系统被运输到外膜表面，并形成一种高亲和性的 ［３］ 细胞色素复合物。外膜蛋白ＭｔｒＢ被认为是将电子从 至ＭＦＣ阳极上：电子穿梭机制和生物膜机制 。 　　电子穿梭机制是微生物利用外加或自身分泌的电 ＭｔｒＡ转移到ＭｔｒＣ／ＯｍｃＡ复合物的介体。后面通过实