Shuttling happens: soluble flavin mediators of extracellular electron transfer in Shewanella
- 作者
- Evan D. Brutinel, Jeffrey A. Gralnick
- 单位
- BioTechnology Institute, University of Minnesota-Twin Cities, 140 Gortner Lab, 1479 Gortner Ave, St. Paul, MN 55108, USA; Department of Microbiology, University of Minnesota-Twin Cities, 140 Gortner Lab, 1479 Gartner Ave, St. Paul, MN 55108, USA
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2011）
- DOI
- 10.1007/s00253-011-3653-0
- 所属领域
- 微生物电化学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
Shewanella属细菌如何通过分泌可溶性黄素类化合物作为电子穿梭体，将电子从细胞表面传递至不溶性胞外底物（如金属氧化物和电极），以及该穿梭机制的证据和分子基础。
研究策略
综述已有研究，整合遗传学、生物化学、电化学和结构生物学证据，论证黄素介导的电子穿梭机制在Shewanella胞外呼吸中的作用。
核心内容
该综述系统论证了Shewanella oneidensis通过分泌可溶性黄素类化合物（核黄素和FMN）作为电子穿梭体进行胞外呼吸的机制。作者整合遗传学、生物化学、电化学和结构生物学证据，提出电子经Mtr通路传递至细胞表面后，由分泌的黄素介导进一步传递至不溶性Fe(III)氧化物或电极，而非仅依赖细胞直接接触。关键证据包括：约73%的电流依赖可溶性黄素因子，纳米电极实验中这一比例高达95%；更换培养基使电极电流立即降低50–95%，而重新加入无细胞上清液可恢复；添加核黄素使电子传递速率提高370%；培养上清中黄素浓度达每克蛋白5.5 μmol，而大肠杆菌仅0.7 μmol/g。纯化的MtrC/OmcA还原不溶性Fe(III)氧化物的速率显著慢于活细胞，但外源黄素可恢复至相当水平。结合MtrF晶体结构，作者提出黄素还原和电子传递的结构模型，并指出黄素生物合成基因冗余及其占细胞ATP预算不足0.1%的成本效益支持穿梭机制是S. oneidensis胞外呼吸的主要方式，直接接触作用相对次要。
创新点
系统总结了可溶性黄素电子穿梭体在Shewanella胞外电子传递中的证据，结合MtrF晶体结构提出黄素还原和电子传递的结构模型，并讨论了黄素生物合成基因冗余与穿梭功能的关系。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Shewanella oneidensis MR-1 | Mtr respiratory pathway | cymA | CymA | 催化 | 内膜锚定的四血红素c型细胞色素，从甲萘醌池接受电子并传递给MtrA |
| Shewanella oneidensis MR-1 | Mtr respiratory pathway | mtrA | MtrA | 催化 | 周质十血红素c型细胞色素，将电子传递给MtrC |
| Shewanella oneidensis MR-1 | Mtr respiratory pathway | mtrB | MtrB | 催化 | 外膜整合蛋白，促进MtrA向MtrC的电子传递 |
| Shewanella oneidensis MR-1 | Mtr respiratory pathway | mtrC | MtrC | 催化 | 外膜十血红素c型细胞色素，还原胞外黄素和底物 |
| Shewanella oneidensis MR-1 | Mtr respiratory pathway | omcA | OmcA | 催化 | 外膜十血红素c型细胞色素，参与铁还原，与MtrC功能重叠 |
| Shewanella oneidensis MR-1 | Mtr respiratory pathway | mtrF | MtrF | 催化 | MtrC旁系同源物，晶体结构揭示血红素排列，可能通过血红素2和7还原黄素 |
| Shewanella oneidensis MR-1 | Flavin biosynthesis | ribBA, ribD, ribH, ribE, ribF | — | 催化 | 核黄素生物合成酶系，从GTP和核酮糖-5-磷酸合成核黄素、FMN和FAD |
| Shewanella oneidensis MR-1 | Flavin processing | ushA | UshA | 催化 | 周质5'核苷酸酶，水解FAD为FMN和AMP，再水解AMP |
| Shewanella oneidensis MR-1 | Fumarate respiration | fccA | FccA | 催化 | 周质延胡索酸还原酶，含非共价FAD辅因子，可能参与黄素分泌的FAD供应 |
| Shewanella oneidensis MR-1 | Flavin biosynthesis regulation | — | RFN element | 调控 | 核黄素生物合成基因上游保守RNA调节元件，结合FMN后调控基因表达 |
关键发现
- 约73%的电流依赖可溶性黄素因子
- 纳米电极实验中95%电流依赖可溶性因子。S. oneidensis培养上清中黄素浓度达微摩尔级（每克蛋白最多5.5 μmol），而E. coli JM109仅0.7 μmol/g。添加核黄素使电子传递速率提高370%
- 合成每分子核黄素消耗约25个ATP，但仅占细胞ATP预算的<0.1%。纯化的MtrC/OmcA还原不溶性Fe(III)氧化物的速率比等量细胞慢一个数量级，外源黄素可恢复至相当水平。完全还原的MtrF与FMN孵育导致40%血红素氧化，与Fe(III)柠檬酸盐则100%氧化。培养基交换使电极电流立即降低50-95%，重新加入无细胞上清液可恢复。
研究结论
Shewanella oneidensis通过Mtr通路将电子传递至细胞表面，并利用分泌的核黄素和FMN作为可溶性电子穿梭体，将电子进一步传递至不溶性Fe(III)氧化物或电极。实验证据（电流对培养基交换的依赖、黄素加速铁还原和电流产生、MtrF结构等）强烈支持穿梭机制是S. oneidensis胞外呼吸的主要方式，而直接接触作用相对次要。