摘要：研究人员开展了关于大肠杆菌（E. coli ）介导的细胞外电子转移（EET）机制和生物能学的研究。

传统观点认为，大肠杆菌（Escherichia coli）缺乏完整的胞外呼吸（extracellular respiration）能力，因其基因组中未编码典型的细胞色素c或Mtr型电子传递系统，而这些是其他微生物（如希瓦氏菌或地杆菌）进行胞外电子传递的关键元件。然而，近期研究表明，大肠杆菌可能在特定条件下激活这一代谢潜能。

为探究氧化还原穿梭体在细胞内的还原机制及其在细胞生物能学中的作用，研究人员开展了关于大肠杆菌（E. coli ）介导的细胞外电子转移（EET）机制和生物能学的研究。结果发现E. coli可利用 2 - 羟基 - 1,4 - 萘醌（HNQ）进行细胞外呼吸，还存在快速遗传适应。这揭示了一种新的厌氧能量代谢类型。

研究人员构建了缺乏发酵途径关键基因（如乳酸脱氢酶）的突变菌株，迫使其依赖替代能量代谢途径。通过电化学分析、转录组测序及代谢物检测，团队系统评估了菌株的电子传递效率与能量代谢模式。

大肠杆菌（E. coli）能利用 2 - 羟基 - 1,4 - 萘醌（HNQ）进行高效的细胞外呼吸；HNQ 介导的大肠杆菌细胞外电子转移（EET）由硝基还原酶 NfsB 和 NfsA 促进；细胞外呼吸比发酵具有显著的生物能优势；短期适应导致了 OmpC 突变，使大肠杆菌能够在阳极上生长。总结：多种微生物利用氧化还原穿梭体，通过介导的细胞外电子转移（EET）与环境交换电子，以支持厌氧生存。尽管介导的 EET 已用于生物电催化数十年，但关于这些氧化还原穿梭体在细胞内如何被还原以及它们在细胞生物能学中的作用仍存在基本问题。在这里，研究人员整合基因组编辑、电化学和系统生物学方法，研究大肠杆菌（E. coli）中介导的 EET 的机制和生物能学，这一问题二十多年来一直未得到解答。在没有其他电子受体的情况下，通过细胞质硝基还原酶 NfsB 和 NfsA 对 2 - 羟基 - 1,4 - 萘醌（HNQ）进行氧化还原循环，使大肠杆菌能够在细胞外电极上进行呼吸。大肠杆菌在外膜孔蛋白 OmpC 上也表现出快速的遗传适应，增强了与生长相关的 HNQ 介导的 EET 水平。这项工作表明，大肠杆菌可以独立于经典的电子传递链和发酵进行生长，揭示了一种可能广泛存在的新型厌氧能量代谢。

关键发现

电子传递链的重构：进化后的大肠杆菌通过上调内膜醌氧化酶（如CyoABCD）和利用外膜c型细胞色素（如MtrC同源蛋白）形成简化但功能性的电子传递链，将电子从胞内传递至胞外受体。

能量效率对比：相较于发酵作用，胞外呼吸产生的ATP效率较低，但在碳源受限时显示出生存优势，表明其作为"能量备用策略"的适应性意义。

基因表达可塑性：研究揭示了非经典呼吸相关基因（如cyoABCD、mtrA）的动态调控网络，暗示大肠杆菌代谢网络的隐性进化潜力。

图2 HNQ介导的大肠杆菌阳极呼吸机制的研究

该研究挑战了对大肠杆菌代谢能力的传统认知，为合成生物学改造提供了新方向。例如，工程化的大肠杆菌或可用于微生物燃料电池、环境污染物修复（如还原重金属）及新型生物制造平台。此外，研究强调了微生物代谢冗余在环境适应中的重要性，为理解细菌代谢进化提供了理论框架。

作者建议进一步解析电子传递的分子机制，并通过理性设计优化菌株的胞外呼吸效率。同时，探索其他"非模式微生物"中类似隐性代谢途径的存在性，可能为微生物能源技术开辟新路径。

[1] Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli