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微生物-微生物通信可用于多重代謝任務(wù)分配，增強微生物體系的協(xié)調(diào)性，在生命進化過程中扮演了重要的作用。如何開發(fā)一種簡單的通用性方法來構(gòu)建微生物體系通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于微生物代謝行為的自協(xié)調(diào)和動態(tài)調(diào)控，依然面臨巨大挑戰(zhàn)?；谘趸€原物質(zhì)的通信方式可通過電子的得失實現(xiàn)氧化還原狀態(tài)的動態(tài)可逆循環(huán)，在代謝過程的動態(tài)可逆調(diào)節(jié)中發(fā)揮了重要作用。類似于電子信息學(xué)領(lǐng)域的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，氧化還原通信系統(tǒng)同樣地可通過對連續(xù)動態(tài)的氧化還原信號進行感知、分析和處理。這種基于氧化還原的通信網(wǎng)絡(luò)有望用于代謝過程的智能化動態(tài)可逆調(diào)控，實現(xiàn)代謝途徑過程中的資源動態(tài)再分配，提高代謝通量，在高附加值產(chǎn)物生物合成等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。

本研究中，作者基于微生物體系電子傳遞引發(fā)的Fe3+/Fe2+信號轉(zhuǎn)化，建立了一個包含希瓦氏菌“路由器”、光學(xué)納米探針“驗證器”以及沼澤紅細菌“致動器”的微生物循環(huán)通信網(wǎng)絡(luò)模型，通過對體系中氧化還原動態(tài)信息的感知、分析和處理，實現(xiàn)微生物代謝過程的動態(tài)調(diào)控，提升微生物合成高效附加值產(chǎn)物的效率。通過對該模型分析研究，作者發(fā)現(xiàn)這種基于電子傳遞的氧化還原網(wǎng)絡(luò)可促進微生物體系中相關(guān)電子傳遞蛋白高表達，通過氧化還原狀態(tài)的動態(tài)可逆切換為沼澤紅“致動器”源源不斷的定向運輸電子流，提高沼澤紅細菌“致動器”中關(guān)鍵還原性分子包括NADPH、NADH的含量，進而影響微生物代謝。研究結(jié)果表明，這種基于電子傳遞的氧化還原網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)微生物代謝調(diào)控，協(xié)調(diào)雙菌體系及三菌體系中細菌的代謝行為，有效提升了沼澤紅細菌“致動器”生物合成效率以及CO2固定效率。此研究提出的基于電子傳遞的氧化還原通信的代謝調(diào)節(jié)策略有望為生物合成、碳中和等領(lǐng)域提供一種新的可能的思路和方法。

該項研究得到了武漢大學(xué)科研公共服務(wù)條件平臺、武漢大學(xué)人民醫(yī)院分子醫(yī)學(xué)研究院、武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院的支持。該項研究獲得了國家科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金的經(jīng)費支持。

論文原文：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42561-3