The mechanism of neutral red- mediated microbial electrosynthesis in Escherichia coli: menaquinone reduction
- 作者
- Timothy D. Harrington, Vi N. Tran, Abdelrhman Mohamed, Ryan Renslow, Saeid Biria, Lisa Orfe, Douglas R. Call, Haluk Beyenal
- 单位
- The Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering, Washington State University; Environmental Molecular Sciences Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory; Paul G. Allen School for Global Animal Health, Washington State University
- 杂志
- Bioresource Technology（2015）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2015.06.037
- 所属领域
- 微生物电合成
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
阐明中性红介导的微生物电合成在大肠杆菌中的作用机制，特别是验证中性红还原NAD+的传统假说，并确定其真实电子靶点及对发酵代谢的调控途径。
研究策略
通过循环伏安法和UV-Vis光谱检测中性红还原NAD+的可能性；采用野生型、ΔarcB、ΔmenA及回补菌株，结合计时电流法和HPLC分析不同末端电子受体（延胡索酸、DMSO、硝酸盐）存在下的电合成电流与代谢物变化，解析中性红的作用机制。
核心内容
该研究通过循环伏安法、UV-Vis光谱、计时电流法及HPLC分析，结合野生型、ΔarcB、ΔmenA及回补菌株，系统探究了中性红介导的大肠杆菌微生物电合成机制。结果表明，中性红在-650 mV极化下生成的NRH2在180分钟内无法还原NAD+，否定了传统假说；其真实机制是NRH2扩散至内膜还原甲萘醌库，通过ArcB/ArcA氧化还原感应级联调节发酵代谢。在无末端电子受体时，野生型乳酸产量较对照提高15%（5.52 mM，P=0.003），而ΔarcB菌株无显著差异，证实了该调控通路的关键作用。在延胡索酸存在下，野生型总电荷达2.86 mM 2电子对，而ΔmenA菌株仅0.20 mM，表明甲萘醌是电子传递的核心靶点。电极电子对硝酸盐、延胡索酸和DMSO还原的贡献比例分别为6.7%、18.9%和16.8%，最高达19%，同时各条件下菌体最终OD均低于对照。这些结果明确了中性红介导电合成的分子机制，为优化微生物电合成系统提供了理论依据。
创新点
否定了中性红还原NAD+的假说，证明其真正机制是还原内膜中的甲萘醌库，通过ArcB/ArcA氧化还原感应级联调节发酵；量化了电极电子对不同末端电子受体还原的贡献比例（最高19%）。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli K-12 | ArcA/ArcB双组分调控系统 | arcB | ArcB | 调控 | 氧化还原感应传感器激酶；ΔarcB菌株中电合成对乳酸的影响消失 |
| Escherichia coli K-12 | 甲萘醌生物合成 | menA | MenA（1,4-二羟基-2-萘酸辛异戊烯基转移酶） | 催化 | menA缺失导致甲萘醌和脱甲基甲萘醌缺乏，电流响应消失；回补后部分恢复 |
| Escherichia coli K-12 | ArcA/ArcB双组分调控系统 | arcA | ArcA | 调控 | 受ArcB磷酸化的转录调控因子，介导甲萘醌还原引起的代谢变化 |
关键发现
- 中性红在-650 mV极化下生成NRH2，在-950 mV极化下生成NR-950，后者在335 nm有吸收峰，与NADH检测波长340 nm重叠，可能是先前假阳性的原因；NRH2不能还原NAD+（180分钟内无吸收变化）。野生型E. coli在电合成条件下乳酸产量比对照高15%（5.52 mM，P=0.003），而ΔarcB菌株无显著差异（P=0.6137），回补菌株乳酸高1.05 mM（P=0.05）。在20 mM延胡索酸存在下，野生型电流峰值-1.3 mA，总电荷2.86 mM 2电子对；ΔmenA菌株仅0.20 mM，与无电子受体时相当（0.27 mM）。硝酸盐、延胡索酸、DMSO存在时峰值电流分别为-1.25、-1.29、-0.77 mA，对应2电子对均为1.35 mM（8.5h）、2.86 mM（15.5h）、1.68 mM（15.5h）；电极电子贡献比例分别为6.7%、18.9%、16.8%（最大19%）。最终OD650均低于对照（硝酸盐0.85 vs
- 06，延胡索酸0.42 vs
- 52，DMSO
- 40 vs
- 57）。
研究结论
中性红介导的微生物电合成机制是：电极还原的中性红（NRH2）扩散至内膜，将甲萘醌（MK）还原为甲萘氢醌（MKH2），从而改变ArcB/ArcA信号通路；在无末端电子受体时调节发酵产物谱，在有末端电子受体时驱动其还原，实现微生物电合成。