影响产电微生物胞外电子转移的关键细胞色素和菌毛蛋白研究

Electricigens refer to microbes capable of extracellular electron transfer and electricity production. Extracellular electron transfer is defined as the process in which electrons derived from the oxidation of electron donors are transferred to the outer surface of the cell to reduce an extracellular terminal electron acceptor. Investigating electricigens is of great importance at present because of their practical applications in Microbial Fuel Cells and environmental bioremediation. Lines of evidence indicate that c-type cytochromes play key roles in the pathways of extracellular electron transfer. Some microorganisms have conductive pili, which is a kind of nanowire consisted of proteins. Based on the diversity of c-type cytochromes in the genomes of Geobacter, we propose that different c-type cytochromes might be expressed under different conditions, resulting different conductive pathways. We also suggest that the structural protein for pili, i.e. pilin, should have specific sequence and structure. In this project, focusing on Geobacter, Bioinformatics is applied to investigate the molecular mechanism of extracellular electron transfer. The main objects are c-type cytochromes and microbial nanowires. We try to identify all c-type cytochromes from Geobacter genomes and elucidate their roles in extracellular electron transfer with the methods of sequence analysis and function analysis, explain the mechanism of electron transfer of pili with structrure analysis. We also try to understand the metabolic respones of electricigens to environment changes with metabolic network modelling. The characterization of c-type cytochromes and microbial nanowires of electricigens will not only advance our understanding of the molecular mechanisms used by microorganisms for exchanging electrons with their extracellular environments, but also pave the way for biotechnological applications in Microbial Fuel Cells and environmental bioremediation.

产电微生物具有胞外电子转移能力，研究产电微生物是发展微生物燃料电池、实现环境生物修复的基础。现有研究结果表明，细胞色素c是胞外电子传递通路上的基本分子，而少数微生物的菌毛具有导电性，是一种由蛋白质构成的纳米导线。鉴于地杆菌Geobacter基因组中细胞色素c的多样性，我们推测该菌属可能会在不同的环境下表达不同细胞色素c，由此构成不同的电子传递通路。同时我们认为Geobacter独特的导电菌毛蛋白具有典型的序列特征和特殊的空间结构。因此，本项目针对Geobacter菌属，利用生物信息学方法研究胞外电子转移的分子机制，重点研究细胞色素c和菌毛纳米导线。通过基因组、功能基因组分析，识别所有细胞色素c基因，认识它们在胞外电子传递通路上发挥的作用，通过菌毛蛋白序列-结构-功能关系分析，发现菌毛可能的电子传递作用及机制，并通过代谢网络的分析从整体上认识产电微生物在不同电子给体和受体环境下的代谢响应。

产电微生物具有胞外电子转移能力，研究产电微生物是发展微生物燃料电池、实现环境生物修复的基础。现有研究结果表明，细胞色素c是胞外电子传递通路上的重要分子，而少数微生物的菌毛具有导电性，是一种由蛋白质构成的纳米导线。针对影响胞外电子转移过程的两类关键功能蛋白（细胞色素c,菌毛蛋白），我们开展了系统的生物信息学与生物电子学研究。首先，在全基因组范围内识别出产电微生物希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）的所有细胞色素c,构建出细胞色素c网络和代谢网络，通过分析以细胞色素c为核心的电子传递网络，发现了两条新的胞外电子转移通路，论述了网络层次结构、网络模体与胞外电子转移功能之间的关系，并阐述了电子转移通路的动态调控机制；通过代谢网络分析，推断出影响微生物产电性能的关键代谢物和关键反应。其次，深入研究了硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）的菌毛蛋白序列、组装结构及电子传递功能之间的关系，阐明了导电菌毛蛋白的序列特征，揭示了其进化起源；建立了菌毛组装结构预测方法，通过细致的结构分析，发现导电菌毛的结构特征和保守性；通过计算化学研究获得的Geobacter sulfurreducens菌毛模型理论电导系数（4.69μS/ 3.85μS）与菌毛生物电子学实验结果（3.40μS）一致，同时发现菌毛的电子迁移率、导电率和电导系数与强健的π-π相互作用体系接近，从理论上推断出菌毛电子传递可能的方式；将生物信息学分析与生物电子学实验研究结合起来，通过菌毛蛋白突变实验及突变体电子传递性能测试，推断出在电子传递过程中发挥重要作用的关键氨基酸及其可能的电子传递机制。最后，我们根据前面的研究结果，建立了以细胞色素c为主的胞外电子转移通路及其调控模型，构建了菌毛组装结构维持和电子传递模型。该项研究对于深刻认识产电微生物胞外电子转移的分子机制，为通过基因工程改造提高微生物燃料电池产电性能，具有重要的科学意义和实际应用价值。