《Bioelectrochemistry》：Multiscale regulation of electroactive biofilms by potassium channels: Mechanisms and environmental applications
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本文系统综述了钾离子通道在电解活性生物膜中的多尺度调控作用，对比了革兰氏阴性菌（以Geobacter为例）和阳性菌（以Bacillus subtilis为例）的钾通道结构、功能及调控机制差异，揭示了钾通道通过维持膜电位动态平衡、调节渗透压稳态及协调代谢活动影响生物膜形成与电子传递效率的分子机制，为优化生物膜相关技术应用提供理论支撑。
Weiqi Li|Zhengheng Sun|Jiaxin Zhang|Xiaoqian Zhang|Tao Wang
江门合成化学与清洁生产重点实验室，环境与化学工程学院；五邑大学碳达峰与碳中和研究所，中国江门529020
摘要
电活性生物膜在环境修复、能源生产和生物传感等多个领域具有相当大的应用价值。然而，其功能调节的复杂机制尚未完全阐明。本文系统回顾了钾离子（K+）通道在电活性生物膜中的多尺度调节作用及其潜在的环境应用。通过比较革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的K+通道系统，发现了它们在结构、功能和调节机制方面的显著差异。研究发现，钾（K+）通道通过调节膜电位的动态平衡、渗透压的稳态和群体感应信号，直接影响生物膜的形成和电子转移效率。Geobacter的gsuk通道通过RCK结构域促进电信号传递，而B. subtilis的Ktr系统则依赖于c-di-AMP来调节钾离子的稳态。此外，K+通道的“盐分吸收”策略对于微生物适应高盐环境至关重要。本研究为电活性生物膜的培养和调控提供了理论基础。
引言
由于电活性生物膜（EABs）具有独特的细胞外电子转移能力[1]，它们在环境修复、生物能源和生物传感等领域展现出广泛的应用前景。EABs的功能表现不仅依赖于经典的细胞外电子转移（EET）机制[2]，还与微生物群落间的信号传导网络密切相关[3]。然而，现有研究主要集中在电子转移载体[4]上，而对维持生物膜动态平衡的关键信号成分——钾离子（K+）通道的关注相对不足[5]。
钾离子是微生物细胞中最丰富的阳离子，通过其通道蛋白在维持膜电位、调节渗透压和协调代谢活动中发挥着不可或缺的作用[6]。通过对原核生物KcsA通道的结构分析，研究人员逐渐认识到钾（K+通道在微生物电生理学中的重要性[7],[8]。在Bacillus subtilis中发现的钾（K+通道介导的膜电位变化为理解电活性生物膜中的离子信号传导提供了新的视角[9],[10],[11]（如图1所示）。然而，目前关于K+通道如何参与电活性生物膜的群体调节以及不同微生物群体中K+通道的功能仍存在关键问题[12],[13]。目前还缺乏系统的总结和分析。
目前对钾通道的研究涵盖了结构、功能和活细胞方法。Langan团队[15]利用X射线晶体学确定NaK2K通道中的Phe92为疏水门控位点。Dechiraju等人[16]构建了一个带有离子泵的微流控系统，证明局部释放钾离子可以引导生物膜的生长。Akabuogu等人结合基因敲除和活细胞成像技术证明，在光照胁迫下，Kch通道驱动E. coli生物膜中的振荡电信号传递[17]。
在2019年的综述中，Benarroch和Asally概述了细菌电生理学的关键方法，包括光学探针（如Nernst染料、电压敏感染料和基因编码指示剂）、鞭毛旋转分析以及膜片钳技术，并强调将代谢读数与电记录相结合以理解细菌信号传导[18]。
后来，Cano Mu?iz团队[19]利用单细胞成像技术证明Kch通道调节周质中的钾离子水平，影响孔蛋白的通透性和抗生素的吸收——突显了其在离子稳态和应激适应中的作用[19]。
在本综述中，我们梳理了原核生物中主要K+通道家族（SKT和KUP/HAK/KT）的结构特征和功能多样性，并比较了革兰氏阴性菌（以Geobacter为代表）和革兰氏阳性菌（以Bacillus subtilis为代表）之间K+通道调节机制的差异。此外，还深入探讨了K+通道通过膜电位耦合[20],[21]、渗透压调节[22],[23]和代谢协调[11],[24]影响生物膜功能的分子基础。本综述旨在为更深入理解电活性生物膜中的信号调节网络提供新的理论框架，并为相关生物技术的应用设计提供参考。
章节片段
电活性革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的电子转移模式
电活性细菌中的细胞外电子转移（EET）机制主要包括直接和间接途径。传统观点认为，革兰氏阳性细菌厚的肽聚糖层会阻碍其电子转移能力。然而，像Thermincola potens JR（利用其表面的非血红素细胞色素OcwA作为末端还原酶）和Paenibacillus profundus YoMME这样的物种的发现表明，革兰氏阳性细菌具有多样化的电子转移方式
电活性生物膜中钾离子传输系统的功能特性和分子机制
电活性生物膜的功能与其膜蛋白系统的活性密切相关，其中钾离子传输系统在维持膜电位和离子稳态方面起着核心作用[12],[44]。
原核生物主要通过SKT超家族（包括Trk、Ktr和Kdp三个亚家族）和钾离子传输超家族[45]来维持细胞内外的离子平衡。这些家族在亲和力和能量转换效率等方面存在显著差异
电活性革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌中K+通道的分子机制比较
作为电活性细菌中的关键离子传输系统，钾离子通道在维持细胞膜电位、调节渗透压平衡和介导电信号传递方面发挥着不可或缺的作用[5]。最新研究表明，革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的K+通道系统在分子组成、调节机制和生理功能方面存在明显差异[70]。钾离子通道在生物膜中的功能
电信号介导的通信在生物系统中普遍存在。早期研究表明，钾离子通道在细菌群落中起着重要作用[3]。钾离子通道在调节细胞膜电位和代谢过程方面至关重要[44]。钾离子通道控制钾离子的跨膜运输，支持细胞膜上静息电位和动作电位的形成，从而影响细胞的兴奋性结论与展望
本综述系统总结了近年来对电活性生物膜（EABs）中钾离子（K+通道关键作用的理解进展。我们阐明了K+通道不仅仅是简单的离子传输通道，还是调控生物膜功能复杂信号网络的中心调节器。原核生物K+传输系统（SKT和KUP/HAK/KT超家族）的结构和功能多样性为EABs提供了精细的调控机制
CRediT作者贡献声明
Weiqi Li：撰写——综述与编辑、原始稿撰写、可视化、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。Zhengheng Sun：项目管理、数据管理。Jiaxin Zhang：数据验证、监督。Xiaoqian Zhang：撰写——综述与编辑、数据验证、监督。Tao Wang：撰写——综述与编辑、数据验证、监督、资源获取、资金申请、概念构思。
未引用的参考文献
[108], [109], [110], [111], [112], [113], [114], [115], [116], [117], [118], [119], [120], [121]
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金[项目编号52200067]；广东省自然科学基金[项目编号2024A1515010681]；广东省重点学科科研能力提升项目[2024ZDJSO35]的支持。
