当微生物学会“充电”：科学家如何用电力驱动细胞制造化学品？
在一个充满电能的世界里，或许连最小的生命单元也能成为高效的“生物工厂”。最近，一项来自中国科学院天津工业生物技术研究所的研究，将我们朝这个未来更推进了一步。科学家们在微生物电合成（Microbial Electrosynthesis，MES） 这一前沿领域取得关键进展，成功改造大肠杆菌，使其能更高效地利用电能，将简单的底物甚至二氧化碳，转化为有价值的化学品。
微生物电合成，本质上是一种将清洁电能与微生物催化相结合的颠覆性技术。它的核心原理就像为微生物细胞“充电”：在电化学系统中，阴极提供电子，特定的电活性微生物（被称为“电能细胞”）能够捕获这些电子，并将其转化为自身代谢所需的“还原力”（如NADH等）。这些额外的能量和还原力，驱动细胞将二氧化碳、葡萄糖等原料，高效地还原合成为目标化合物，如丁二酸、乳酸或乙醇。这为解决两个重大挑战——温室气体二氧化碳的转化利用和化工生产的绿色可持续性——提供了极具前景的新路径。
然而，如何让微生物更“乐于”且更高效地利用电能，是这项技术走向应用的核心瓶颈。电子的跨膜传递效率、胞内能量转化系统的匹配程度，都直接影响着最终合成产物的效率。中国科学院天津工业生物技术研究所的研究团队，正是从最根本的胞内能量代谢环节入手，找到了突破口。
他们的研究聚焦于一个关键的辅酶分子——黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。FAD是细胞呼吸链和许多氧化还原反应中不可或缺的电子载体，对于微生物接收和利用外部电子至关重要。研究团队巧妙地改造了大肠杆菌的FAD合成途径，通过基因工程手段，人为提高了其胞内FAD的整体水平。这一看似细微的内部调整，带来了显著的性能提升：改造后的大肠杆菌细胞电活性显著增强，意味着它们能更有效地“接收”并“消化”来自外部电极的电子。
更具战略意义的是，研究人员并未止步于此。他们将这个经过改造、具备高电活性的“电能细胞”底盘，与一个高效的丁二酸合成代谢模块进行了“组装”。丁二酸（琥珀酸）是一种重要的平台化学品，广泛应用于生物聚合物、食品、医药等领域。研究结果显示，在这种“电驱动”模式下，丁二酸的转化率得到了大幅提升。这证实了一条清晰的技术路线：首先优化细胞“吃电”的能力，再导入特定的产物合成通路，从而构建出高效的电驱细胞工厂。
这项研究的突破性在于，它为系统性地设计和增强“电能细胞”的性能提供了全新的思路和工具。它不再仅仅依赖发现天然的电活性微生物，而是可以通过合成生物学的手段，对模式工业微生物（如大肠杆菌）进行理性设计与改造，赋予其强大的电化学转化能力，并将其导向特定高价值产物的合成。
随着全球应对气候变化压力的增大，开发碳中和技术迫在眉睫。微生物电合成技术，利用可能来自太阳能、风能的可再生电力驱动生物制造，直接固定二氧化碳生产化学品，完美契合了绿色可持续发展的需求。这项进展不仅推动了基础科学认知，更向实现“电力到化学品”的绿色转化迈出了坚实一步。未来，通过集成更高效的电极材料、反应器设计和更强大的合成生物学工具，我们有理由期待，这些微小的“充电细胞”将在生物制造和碳循环经济中扮演革命性的角色。
