生物地球化学锰循环中的微生物胞外电子传递机制

微生物是生物地球化学元素循环的重要驱动者,在锰等变价金属元素的氧化还原过程中起着至关重要的作用。近年来,Mn(Ⅲ)的发现以及在一些环境中的广泛存在,丰富了人们对Mn(Ⅲ)以及自然界锰循环过程的认识。研究发现,锰的生物地球化学循环,尤其是锰还原过程,与微生物胞外电子传递紧密相关,且目前已知的5种胞外电子传递机制均与锰还原有关联。因此,本文综述了锰的生物地球化学循环及其意义,并从微生物胞外电子传递的机制、微生物介导锰氧化、微生物介导锰还原等3个方面来介绍参与锰循环的微生物多样性;以及微生物地球化学锰循环的环境意义。对微生物参与锰循环过程的研究不仅可以进一步丰富相关理论,同时也能推动生物除锰、污染物原位修复及生物冶金等应用领域的发展。     

微生物种间直接电子传递机理及应用研究进展

微生物胞内产生的电子转移到其他电子受体而获得能量的过程称为微生物胞外电子传递,其中,另一微生物作为电子受体时发生的电子传递称为微生物种间电子传递。根据微生物种间电子传递机制,可分间接种间电子传递和种间直接电子传递。由于种间直接电子传递不需要其他物质介导,因此较间接种间电子传递效率更高、能量利用更高。本文系统阐述了微生物进行胞外电子传递的机理及应用,重点分析了种间直接电子传递机理,并概述种间直接电子传递应用领域,为寻找更多电连接的微生物群落以及应用微生物提供参考。     

基于细胞色素c的胞外电子传递过程

电活性微生物具有独特的胞外电子传递功能,在地球化学循环和环境污染修复中起着重要作用。细胞色素c在电活性微生物胞外电子传递过程中扮演了重要角色,不仅参与直接电子传递途径,还参与电子媒介介导的间接电子传递。其电子传递功能不仅对地球环境中铁、锰、碳等元素的循环具有重要作用,还应用于能源生产、废水处理、生物修复等众多领域,具有良好的应用潜力。本文以电活性微生物的2个模式菌属(希瓦氏菌属和地杆菌属)为例,综述了电活性微生物将电子由胞内转移至胞外的方式和途径,详细阐述了细胞色素c在该胞外电子传递过程中的重要作用,总结了细胞色素c介导的胞外电子传递过程所涉及的分析方法,并对微生物胞外电子传递未来的研究方向提出了展望。     

基于直接接触的微生物胞外电子传递

微生物电子传递在微生物的代谢繁殖和物质的生物地球化学循环中发挥着关键作用。其中基于直接接触的微生物胞外电子传递(Direct extracellular electron transfer,DEET)已成为微生物学、地球化学和生物物理学等学科共同关注的焦点,并在近几年取得了一系列重要发现和理论突破,包括微生物纳米导线、电缆细菌、微生物种间DEET等。伴随着这些新进展,更多的问题也需要研究者们在进一步的研究中解决,包括DEET的分子机制及其相关功能微生物种群等。不同学科理论和技术的交叉是进一步揭示DEET过程的关键。     

矿物电子能量协同微生物胞外电子传递与生长代谢

微生物的电子传递过程在生命进化和生物地球化学循环中发挥着关键作用。近年来,随着微生物电子传递研究的深入开展,微生物纳米导线、导电生物被膜及种间电子传递等多种新型的微生物胞外电子传递机制不断被发现,微生物电子传递的距离也从纳米级拓展至厘米级。这些微生物的长距离电子传递过程环环相扣、相互协同,从而构成长距离电子传递网络,并在物质循环和能量转化中共同发挥作用。微生物长距离电子传递网络的结构功能及其调控机制已成为多个学科共同关注的焦点。本文以电子传递的距离为主线,对不同尺度的微生物长距离电子传递过程及网络研究的新进展进行综述,包括纳米尺度的电子传递网络（周质空间和外膜表层）、微米至毫米尺度的电子传递网络（纳米导线、细胞间电子和导电生物被膜）、厘米尺度的电子传递网络（电缆细菌）等,并分析了该研究现存的主要问题和下一步的发展方向,以期为进一步推进微生物长距离电子传递网络理论和应用研究提供科学参考。     

产电微生物Shewanella菌厌氧呼吸代谢网络研究进展

以模式菌株Shewanella oneidensis MR-1为代表的Shewanella菌属产电微生物广泛分布于自然水体环境中。作为兼性厌氧菌,Shewanella菌除了能进行有氧呼吸外,还能利用多种电子受体进行厌氧呼吸。通过多种细胞色素所组成的复杂电子传递网络,Shewanella菌不仅能利用渗入到周质空间的可溶性电子受体进行厌氧呼吸,更为特殊的是其能够借助电子的跨膜传递实现对胞外不溶性电子受体的异化还原代谢。本文概述了近年来Shewanella菌厌氧代谢途径的研究进展,探讨电子传递网络对Shewanella菌呼吸多样性及环境适应性的影响。     

关于呼吸链电子传递与氧化磷酸化机制的教学

近年来,植物生理学中呼吸作用过程及机制研究的新进展和新成果相对较少。在线粒体电子传递系统中,有些传递体的结构和排列、功能尚待进一步确证。目前,对有关呼吸链上伴随着电子传递,线粒体村质中的H~+跨内膜转移到膜间空间、建立质子动力并形成ATP的问题,国内外植物生理学教材有不同提法。在这里,我们试图通过对这些说法的比较分析,以求得到一个比较恰当的说法,这对教学工作可能是有益的。     

矿物电子能量协同微生物胞外电子传递与生长代谢

矿物是无机自然界吸收与转化能量的重要载体,其与微生物的胞外电子传递过程体现出矿物电子能量对微生物生长代谢与能量获取方式的影响。根据电子来源与产生途径,以往研究表明矿物中变价元素原子最外层或次外层价电子与半导体矿物导带上的光电子是微生物可以利用的两种不同胞外电子能量形式,其产生及传递方式与微生物胞外电子传递的电子载体密切相关。在协同微生物胞外电子传递过程中,矿物不同电子能量形式之间既有相似性亦存在着差异。反过来,微生物胞内-胞外电子传递途径也影响对矿物电子能量的吸收与获取,进而对微生物生长代谢等生命活动产生影响。本文在阐述矿物不同电子能量形式产生机制及其参与生物化学反应的共性和差异性特征基础上,综述了微生物获取矿物电子能量所需的不同电子载体类型与传递途径,探讨了矿物不同电子能量形式对微生物生长代谢等生命活动的影响,展望了自然条件下微生物利用矿物电子能量调节其生命活动、调控元素与能量循环的新方式。     

分子生物学方法提高电活性微生物胞外电子传递效率的研究进展*

微生物细胞与电极之间的胞外电子传递效率是限制微生物电化学技术发展的关键因素,而分子生物学的发展为提高胞外电子传递效率带来了光明前景。从四种具有代表性的纯培养电活性微生物(奥奈达希瓦氏菌、铜绿假单胞菌、硫还原地杆菌和工程大肠杆菌)和混合培养电活性微生物出发,综述了利用分子生物学手段改造几种电活性微生物的研究成果,阐明了针对特异的电活性微生物,如何采取相应的分子生物学手段提高其胞外电子传递的效率,并展望了未来的研究方向。     

微生物种间直接电子传递研究进展

一直以来氢气和甲酸被认为是微生物间电子传递的中间电子传递体.近年来的研究发现,微生物之间可以通过种间直接电子传递(DIET)来替代氢气/甲酸传递.DIET作为一种新发现的微生物间电子传递途径,其电子传递效率要高于传统的种间氢气/甲酸传递.DIET这一新发现改变了微生物互营生长代谢必须依赖氢气或甲酸等电子载体的传统认识,...     

Enhancement of extracellular electron transfer and bioelectricity output by synthetic porin

The microbial fuel cell (MFC), is a promising environmental biotechnology for harvesting electricity energy from organic wastes. However, low bacterial membrane permeability of electron shuttles is a limiting factor that restricts the electron shuttle‐mediated extracellular electron transfer (EET) from bacteria to electrodes, thus the electricity power output of MFCs. To this end, we heterologously expressed a porin protein OprF from Pseudomonas aeruginosa PAO1 into Escherichia coli, which dramatically increased its membrane permeability, delivering a much higher current output in MFCs than its parental strain (BL21). We found that the oprF‐expression strain showed more efficient EET than its parental strain. More strikingly, the enhanced membrane permeability also rendered the oprF‐expression strain an efficient usage of riboflavin as the electron shuttle, whereas its parental strain was incapable of. Our results substantiated that membrane permeability is crucial for the efficient EET, and indicated that the expression of synthetic porins could be an efficient strategy to enhance bioelectricity generation by microorganisms (including electrogenic bacteria) in MFCs. Biotechnol. Bioeng. 2013; 110: 408–416. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.     

典型胞外呼吸细菌的胞内电子转移机制研究进展

胞外呼吸在污染物的降解转化和微生物产电过程中具有重要作用。微生物进行胞外呼吸时,其电子受体多以固态形式存在于胞外,氧化产生的电子必须通过电子传递链从胞内经细胞周质转移到外膜。S.oneidensis MR-1与G.Sulfurreducens作为微生物燃料电池中最常用的模式菌株,是现阶段研究最深入和系统的胞外呼吸细菌,其胞内电子传递过程目前研究最为清楚。这两种胞外呼吸细菌的电子传递需多种细胞色素c的参与,S.oneidensis MR-1位于内膜及周质上的细胞色素c-Cym A和MtrA可将电子由内膜上的醌池通过周质到外膜蛋白MtrC和OmcA,MtrC和OmcA接收电子后可直接还原胞外受体,Type Ⅱ secretion system对外膜蛋白中的MtrC和OmcA起到了转运及定位的作用。而在G.sulfurreducens中,电子由MacA传递到PpcA,最终由外膜蛋白OmcB、OmcE、OmcS及OmcZ接受电子,并在Type Ⅳ pili的共同作用下将电子传递到胞外电子受体。本文最后指出目前对Shewanella与Geobacter胞内电子转移研究尚不清楚的地方提出展望。     

Plastoquinone as a common link between photosynthesis and respiration in a blue-green alga

The role of plastoquinone in a thermophilic blue-green alga, Shynechococcus sp., was studied by measuring reduction kinetics of cytochrome 553 which was oxidized with red flash preferentially exciting photosystem I. Sensitivity of the cytochrome reduction to DBMIB indicates that cytochrome 553 accepts electrons from reduced plastoquinone. Plastoquinone is in turn reduced in cells without electrons from photosystem II, since DCMU, which inhibited methyl viologen photoreduction more strongly than DBMIB, failed to affect the cytochrome reduction. Participation of cyclic electron transport around photosystem I in cytochrome reduction in the presence of DCMU was excluded, because methyl viologen and antimycin A had no effect on the cytochrome kinetics. On the other hand, electron donation from endogenous substrates to plastoquinone was suggested from decreases in rate of the cytochrome reduction by dark starvation of cells and also from restoration of fast reduction kinetics by the addition of exogenous substrates to or by reillumination of starved cells.KCN, which completely suppressed respiratory O₂-uptake, induced a marked acceleration of the cytochrome reduction in starved cells. The poison was less or not effective in stimulating the cytochrome reduction in more extensively starved or reilluminated cells.Results indicate that plastoquinone is functioning not only in the photosynthetic but also in the respiratory electron transport chain, thereby forming a common link between the two energy conservation systems of the blue-green alga.

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Continuous assessment of metabolic activity of mitochondria using resonance Raman microspectroscopy

Dysfunctional mitochondrial activity can lead to a variety of different diseases. As such, there exists a need to quantify changes in mitochondria function as it relates to these specific diseased states. Here, we present the use of resonance Raman (RR) spectroscopy as a tool to determine changes in isolated mitochondrial activity. RR spectroscopy, using 532 nm as the excitation source, specifically provides information on the reduction and oxidation (RedOx) state of cytochrome c, which is determined by the activity of protein complexes in the electron transport chain (ETC). In this model, injection of the substrate succinate into the mitochondrial sample is used to drive the ETC, which causes a subsequent change in cytochrome c RedOx state. This change in RedOx state is tracked by RR spectroscopy. This tool gives real-time information on the rise and fall of the amount of reduced cytochrome c within the mitochondrial sample, providing a method for rapid assessment of mitochondrial metabolism that has broad applications in both basic science and medical research.     

呼吸链电子漏在细胞凋亡中的作用

实验证明细胞色素c具有很强的抗氧化功能,在线粒体中氧化态的细胞色素c直接清除O2·-,还原态的细胞色素c清除H2O2.由于呼吸链传递电子合成ATP的同时,总有少部分电子从呼吸链底物端的复合物Ⅰ和Ⅲ漏出,而且漏出的电子首先使氧分子还原成O2·- ,然后O2·-歧化成H2O2,所以细胞色素c清除O2·-和H2O2的功能使呼吸链出现了两条电子漏旁路.细胞色素c通过这两条电子漏路径实现其控制线粒体中O2·-和H2O2水平的功能.根据两条电子漏旁路都是O2·-代谢路径的事实,引进了线粒体自由基代谢的概念,并从自由基代谢失调的角度探讨了呼吸链电子漏在细胞凋亡中的作用.