英文原题：Construction of Shewanella oneidensis chassis for unbalanced fermentation with glycerol by adaptive laboratory evolution

作者：Xi Sun, Shiqi Luo, Shutian Kong, Guosheng Xin, Tao Chen, Feng Li, Hao Song, Zhiwen Wang*

01 论文信息

论文信息

Xi Sun, Shiqi Luo, Shutian Kong, Guosheng Xin, Tao Chen, Feng Li, Hao Song and Zhiwen Wang. Construction of Shewanella oneidensis chassis for unbalanced fermentation with glycerol by adaptive laboratory evolution[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.01.002

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Construction of Shewanella oneidensis chassis for unbalanced fermentation with glycerol by adaptive laboratory evolution

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 宁夏大学/天津大学王智文教授：利用甘油非平衡发酵的希瓦氏菌底盘适应性实验室进化

02 背景简介

希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）是一种电化学活性细菌，具有细胞的外电子传递能力，在非平衡发酵方面具有减少还原力过度积累和避免副产品产生等诸多优势。代谢网络模型分析表明，S. oneidensis电子合成效率最高的潜在底物是甘油，但不能天然利用甘油，目前，工程菌株在甘油为唯一碳源时的生长效率仍较低，限制了其非平衡发酵的能力。

宁夏大学/天津大学王智文教授团队于Green Carbon发表题为“Construction of Shewanella oneidensis chassis for unbalanced fermentation with glycerol by adaptive laboratory evolution”研究论文，该文章通过两轮适应性实验室进化提高了S. oneidensis的甘油利用和生物电合成能力。进化菌株以甘油为底物进行非平衡发酵合成生物电和乙偶姻的能力也显著提高。本研究还通过全基因组测序探究了进化菌株突变型与甘油利用和产电的关系，分析了S. oneidensis利用甘油高效合成生物电的调控机制。

03 文章简介

适应性实验室进化提高希瓦氏菌甘油利用和生物电合成能力

首先在好氧条件下以甘油为唯一碳源进行适应性实验室进化，获得了甘油利用速率提高的进化菌株。随后在厌氧条件下以电阻为筛选压力进行适应性实验室进化，获得生物电合成能力提高的进化菌株。最终筛选得到的菌株ES6-29表现出了最快甘油利用速率，较出发菌株提高了17倍左右（图1），ES3-16表现出了最高生物电合成能力，电功率密度较出发菌株提高了281.5%（图2）。

图1. 进化菌株甘油消耗曲线

图2. 进化菌株生物电功率密度和输出电压

进化菌株非平衡发酵合成生物电和乙偶姻

将携带乙偶姻合成相关基因alsS和alsD基因的质粒转入进化菌株ES3-16和ES6-29中进行非平衡发酵。ES3-16-AC的电功率密度和乙偶姻产量与出发菌株KR-AC相比分别提高了168.7%和121.3%（图3），是目前希瓦氏菌以甘油为底物非平衡发酵合成乙偶姻的最高产量。

图3. 进化菌株非平衡发酵合成生物电和乙偶姻

S. oneidensis利用甘油高效合成生物电的机制解析

对进化菌株进行全基因组测序以解析其利用甘油高效合成生物电的代谢机制。甘油利用途径基因glpF和启动子P_trc的缺失突变导致甘油利用途径的表达强度提高，增强菌株的甘油利用能力（图4）。细胞膜合成相关基因的突变拉长了进化菌株的细胞形态，细胞长度增长29.38%，这有助于提高EET效率和增加电极细胞膜厚度，提高菌株生物电合成能力（图5）。

图4. 甘油利用途径基因突变对菌株生长和甘油利用的影响

图5. 出发菌株和进化菌株电子显微镜图

总结与展望

本研究通过实验室适应性进化成功提高了S. oneidensis利用甘油进行生物发电的能力，并通过非平衡发酵实现了生物电和乙偶姻的高效联产。工程菌株以甘油为底物利用非平衡发酵合成乙偶姻的产量为目前报道的希瓦氏菌中的最高水平。全基因组测序与突变分析表明甘油利用率的提高和细胞形态拉长在提高电化学活性方面起着关键作用，具体调控机制有待进一步研究。

04 作者简介

王智文 教授

王智文，宁夏大学/天津大学教授，博士生导师，国家级青年人才。主要从事基因组尺度网络模型构建与途径模拟设计、基因组编辑与合成生物学元件开发和人工细胞工厂构建等研究工作。第一/通讯作者在Advanced Science、Metabolic Engineering、AIChE Journal、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Biotechnology Advances等国内外高水平期刊发表SCI收录论文60余篇，中文核心期刊论文19篇，第一发明人授权国家发明专利17项。主编高等教育出版社教材《代谢工程与合成生物学》（第二版），国家级规划教材《代谢工程》；主持国家重点研发计划课题/子课题、国家自然基金等国家级和省部级项目10余项。兼任宁夏生物学会理事，宁夏牛羊特色饲料技术创新中心主任委员，宁夏饲料工业协会委员，Engineering Microbiology期刊青年编委，Frontiers in Bioengineering and Biotechnology期刊合成生物学板块审稿编辑，《宁夏大学学报》编委。

05 Green Carbon

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