基于电化学表征揭示电缆细菌高效生物催化氧还原耦合长程电子传输的分子机制

《Bioelectrochemistry》：Highly efficient bio-catalytic oxygen reduction coupled to long-range electron transport in cable bacteria

为解决电缆细菌(Cable bacteria)中氧还原(O2reduction)如何与其厘米级长程电子传输(long-range electron transport)相偶联的科学争议，研究人员通过循环伏安法(CV)和电化学门控(electrochemical gating)技术，对天然菌丝和提取的“纤维骨架”进行电化学表征。研究结果表明，导电纤维网络仅负责纵向电子传输，不具备氧还原活性；而高氧还原速率由周质或内膜中的专用酶系统（如c型细胞色素）介导。该研究阐明了电缆细菌独特电致代谢的关键环节，并为其在生物电化学系统(Bio-electrochemical System, BES)中的应用潜力提供了理论依据。

　　

在广阔的淡水与海洋沉积物中，生活着一类外形奇特、能力超群的微生物——电缆细菌。它们并非孤军奋战的单细胞生物，而是由成千上万个细胞首尾相连形成的丝状体，其独特之处在于能够像铺设地下电缆一样，在沉积物中进行厘米级的“远程输电”。这个过程堪称一场精妙的自然工程：在深层的缺氧区，一部分细胞充当“阳极”，氧化硫化氢产生电子；而这些电子则会沿着贯穿菌丝内部的导电纤维网络，被输送到表层有氧区的“阴极”细胞，最终用于还原氧气或硝酸盐。这种跨越不同氧化还原环境的“分工合作”，使电缆细菌在硫氧化微生物中占据了独特的竞争优势，仿佛一个活生生的、跨越微观尺度的“生物燃料电池”。

然而，这个令人惊叹的“电路系统”如何精准运作，尤其是终端的“用电器”——氧还原过程，是如何与作为“输电线”的导电纤维网络相连接的，一直是学界争论的焦点。一种观点认为，导电纤维本身仅负责电子传输，氧还原由周质或内膜中的专用酶系统催化。另一种观点则推测，导电纤维网络自身就具备催化氧还原的能力。解开这一谜题，不仅对理解这种独特微生物的完整代谢机制至关重要，也对其导电纤维在生物电化学技术中的潜在应用具有指导意义。

为了回答上述问题，由Dmitrii Pankratov、Anwar Hiralal、Silvia Hidalgo Martinez、Jeanine S. Geelhoed和Filip J.R. Meysman组成的研究团队在《Bioelectrochemistry》上发表了一项研究。他们巧妙地运用了电化学手段来窥探电缆细菌的“电路秘密”。研究主要采用了循环伏安法来评估样品的氧还原电催化活性，并利用电化学门控技术来探究导电性能与氧化还原状态的关系。实验样本包括两种电缆细菌物种（Ca. Electrothrix gigas 和 Ca. E. scaldis GW3–3）的天然菌丝，以及通过SDS-EDTA（十二烷基硫酸钠-乙二胺四乙酸）化学处理去除细胞膜和细胞质后得到的“纤维骨架”。所有菌丝均来自荷兰Rattekaai盐沼的克隆富集培养物。

研究结果

3.1. 纤维骨架的循环伏安分析

研究首先对提取的“纤维骨架”进行测试。扫描电子显微镜和原子力显微镜成像证实，提取过程去除了大量生物质，留下了主要由导电纤维网络和多糖鞘构成的骨架。关键的电化学测试显示，纤维骨架在不同氧气浓度的电解液中，其循环伏安曲线没有显示出任何对氧气的依赖性。这表明，纤维骨架本身不具备氧还原活性，导电纤维网络的功能仅限于长程电子传输，催化活性来自于被提取过程去除或破坏的酶系统。

3.2. 天然菌丝中细胞特异性氧还原速率

与纤维骨架相反，天然电缆细菌菌丝表现出显著的氧还原电催化活性。根据催化电流和沉积在电极上的菌丝总长度，研究人员计算出了细胞特异性氧还原速率，范围在14至130 × 10^?18mol O₂cell^?1s^?1之间。这一数值远高于已知的单细胞好氧硫氧化细菌，证实了电缆细菌阴极细胞具有极高的氧处理能力。部分样品显示出受氧气扩散限制的高速率，而另一些则表现为较低的、非扩散限制的速率。

3.3. 氧还原活性对O₂和pH的依赖性

进一步分析表明，无论高速率还是低速率菌丝，其氧还原过程表现出相似的米氏常数（K‘_m≈ 27 μM），意味着它们可能使用相同的酶机制。氧还原起始电位对pH的依赖关系在pH 6附近出现拐点，这与许多含金属辅基的蛋白（如血红蛋白、氧化酶）的行为一致，暗示金属蛋白参与了氧还原过程。一个重要的线索是，当用已知能使c型细胞色素失活的抑制剂N-乙酰-L-甲硫氨酸处理菌丝后，其氧还原活性完全被抑制，这直接提示c型细胞色素在电子传递至氧的过程中扮演了关键角色。

3.4. 不同电缆细菌物种中的O₂还原活性

研究还测试了形态和部分基因组成不同的另一个物种Ca. E. scaldis。尽管该物种基因组编码了额外的末端氧化酶（细胞色素c aa3型氧化酶复合物CoxABCD），但其电化学行为（起始电位、限氧浓度、K‘_m值）与Ca. E. gigas高度相似。这表明不同电缆细菌物种可能共用一套核心的、高效的氧还原系统。

3.5. 氧还原与长程导电性的关系

通过电化学门控实验，研究人员探测了天然菌丝在无氧条件下的导电性随电位的变化。结果显示出一个圆顶状的依赖性，表明在源极和漏极电极之间的导电路径中存在氧化还原活性电荷载体（如细胞色素）。当向电解液中加入氧气后，这种导电性迅速下降直至消失，说明氧气会不可逆地损害导电纤维的导电性。然而，后续的循环伏安测试表明，这些失去导电性的菌丝仍然保留着氧还原活性。这清晰地证明，氧还原活性与纤维导电性是两个独立的功能单元：氧还原酶系统在纤维网络失效后仍可工作。

研究结论与讨论

本研究通过系统的电化学表征，为电缆细菌中氧还原耦合长程电子传输的机制提供了清晰的模型。核心结论是：电缆细菌内部的导电纤维网络是一个高效的“生物电线”，专司长距离电子传输，但其本身不具备催化氧还原的活性。高速度的氧还原是由位于周质或内膜上的专用酶系统完成的。基因组分析提示，这些酶系统可能包括截短血红蛋白(truncated hemoglobin, tHgb)、细胞色素bd醌氧化酶同源物(CydA homolog)以及小型周质c型细胞色素等。

研究的讨论部分构建了一个连贯的电子传递模型：在自然状态下，从深层硫氧化产生的电子被“上传”到导电纤维，经长距离传输后，在表层的阴极细胞处，由可溶性的周质c型细胞色素作为“穿梭巴士”，将电子从导电纤维“下载”并传递给氧还原酶（如tHgb或CydA同源物复合体），最终将O₂还原为水。在实验的电化学测试中，电极取代了导电纤维的角色，直接通过周质细胞色素与氧还原酶系统沟通，从而观测到高催化电流。

这项研究的意义在于，它解决了关于电缆细菌电致代谢机制的一个关键争议，明确了导电纤维与催化功能的分离，强调了周质c型细胞色素作为核心电子中介的核心作用。这不仅深化了我们对这种独特微生物能量代谢的理解，也为利用其高效氧还原酶系统开发生物电化学装置（如生物阴极）提供了重要的理论基础。尽管研究指出导电纤维在好氧条件下稳定性欠佳，但分离出的酶系统本身所具有的高催化活性，为未来BES技术的优化指明了新的方向。