利用微生物电合成技术将电能转化为化学能已成为当前研究热点。本课题组利用E.coli在电化学反应器中合成琥珀酸时发现，E.coli缺乏直接将电极提供的电子传递至细胞内的能力；只有添加中性红为电子传递介体，E.coli才能将电子传递至细胞内作为还原力合成琥珀酸。然而，由于电子介体对细胞的损伤以及电子转化的还原力在细胞内有部分流向副产物合成途径，导致电子用于合成琥珀酸的效率低下。本项目以实现电极供给电子转化为琥珀酸合成途径可利用的还原力为目标，通过采用合成生物学方法构建在E.coli中具有生物相容性的电子传递途径，建立可将电子突破而不损伤细胞膜从电极转移至细胞内的传递通道，提高电子传递效率；此外，通过电极电子与细胞膜相互作用的机制解析，结合代谢网络模型进行电子代谢途径再设计，控制电子在细胞内流向，减少副产物合成，提高电子利用效率。最终构建高效电合成琥珀酸的重组E.coli，并建立其代谢调控策略。

It has become the hotspots in current study using microbial electrosynthesis technology converts electrical energy into chemical energy. In our previous study, E.coli could turn electrons at electrode into the reducing power for anaerobic synthesis of succinic acid with neutral red as the electronic mediator. However, since the electron mediator was toxic and reducing power transformed from electrons partly took part in by-products pathway, the efficiency of electron transfer and utilization was reduced, consequently electrosynthesis of succinic acid had a poor efficiency. Aiming to convert electrons supplied by electrdes into reducing power available in succinic acid synthetic pathway, in this project we design, assemble and optimize electron transfer pathway in E.coli, establish the electron transfer pathway from the electrode to cell which breaks through the barrier of the cell membrane, and improve the efficiency of electron transfer through mining the components and modules of microbial electron transport. In addition, through analyzing the mechanism of electrode electronic effecting on cell growth and metabolism and combining with metabolic network reconstruction, we control the flow of electrons in cells, reduce the by-products synthesis, improve the utilization efficiency of electrons, and eventually establish metabolic regulation strategy of electro-catalytic synthesis of succinic acid in E.coli. Implementation of this project will provide a reference for anaerobic production of reductive metabolites by electrochemical synthesis and electrical energy into chemical energy.

本项目通过挖掘产电微生物中直接参与电子传递的电子传递元件，获得6种电子传递蛋白，并对电子传递蛋白进行分类：外膜电子传递蛋白MtrB、OmcA等，周质电子传递蛋白MtrA、PpcA等，内膜电子传递蛋白CymA、MacA等。通过外源表达相关电子传递蛋白结合文献分析，初步解析了电子传递蛋白的功能。 针对厌氧发酵产丁二酸，构建了微生物电化学反应器。通过对电化学反应器的测试、碳毡面积的选择以及电极改性等，优化了电化学反应器用于电合成丁二酸。结果表明，以富马酸钠为碳源产丁二酸，在阴极加入中性红，体系有明显的氧化还原峰，说明电化学反应器对电子传递至微生物有明显的作用。此外，碳毡面积4cm×6cm，采用石墨烯改性对电化学反应器产丁二酸有利。 优化了电化学反应器产丁二酸的培养条件，并解析了电子代谢机制。选择电压为-0.8V，选择0.1mM中性红为电子载体，丁二酸产量比对照提高了16.7%，表明微生物在添加电子中介体的电化学反应器中可以利用电能提高丁二酸的产量。通过对比通电与不通电条件下的NADH、NADH/NAD+以及ATP的变化，发现通电条件下可以明显提高NADH/NAD+以及ATP的水平。 项目按照任务书的要求，圆满地完成了研究任务。项目开展期间，参加了国际代谢工程大会（北京，2015年）、亚洲生物技术大会（吉隆坡，2015年），发表SCI论文2篇，申请国家发明专利1项，培养了1名博士生和2名硕士生。