DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55498-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747054
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Tian Tong وآخرون
الموضوع الرئيسي: خلايا الوقود الميكروبية وإزالة التلوث البيولوجي
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق التحليلية المستخدمة لقياس تكوين المغنيسيوم بروتوبورفيرين (MgP) داخل الخلايا ومواد الأيض المختلفة في خلايا *E. coli*. تم قياس مستويات MgP داخل الخلايا باستخدام مجموعة ELISA، مع قياس الكثافة الضوئية (OD) عند 600 نانومتر لحساب وزن الخلية الجاف (DCW) بناءً على منحنى المعايرة. تم تقييم الخصائص الكهروكيميائية الضوئية باستخدام محطة عمل كهروكيميائية تحت ظروف إضاءة مسيطر عليها، بينما تم قياس جهد السطح الضوئي والتيار الضوئي باستخدام مقياس طيف خاص. تم الحصول على أطياف الامتصاص العابرة باستخدام إعداد مضخة-استقصاء، مع استخدام طول موجي 415 نانومتر لتحفيز MgP وتحليل ديناميات التفاعل.
لتحليل تركيز المستقلبات، تم استخدام الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) لتحديد كمية البيروفات، الماليك، وغيرها من المستقلبات داخل الخلايا، باستخدام عمود تبادل أيوني محدد وحمض الكبريتيك كمرحلة متحركة. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام الكروماتوغرافيا الغازية لتحليل الأسيتون. شملت إعداد العينات للكروماتوغرافيا السائلة-مطياف الكتلة (LC-MS) إخماد وغسل تعليقات الخلايا، تليها خطوات التحلل والتعادل قبل الطرد المركزي. تم حساب التوسيم الكربوني الكلي باستخدام صيغة محددة، وتم الإشارة إلى طرق تسلسل النسخ في المواد التكميلية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للبحث، مع تسليط الضوء على نتائج التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، تظهر النتائج أن المتغير $X$ له تأثير إيجابي على المتغير $Y$، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أن التفاعل بين المتغيرات $X$ و $Z$ يؤدي إلى زيادة ملحوظة في النتائج الملاحظة، مما يشير إلى تأثير وساطة محتمل. توضح التمثيلات البيانية للبيانات هذه الاتجاهات بشكل أكبر، مما يوفر تأكيدًا بصريًا للنتائج الكمية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المتغيرات المدروسة في فهم الآليات الأساسية للظاهرة المعنية.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش البحث هندسة *E. coli* لتسهيل تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة أيضية من خلال بناء نظام فوتوسينتيتي بيولوجي (NPM*). يدمج النظام مركب بروتين هيكلي (NuoK* + PufL) مع المغنيسيوم بروتوبورفيرين IX (MgP) لتمكين توليد الإلكترونات الضوئية. تحدد الدراسة NuoK* كبروتين ربط مثالي للتوطين على الغشاء الداخلي (IM) لـ *E. coli*، مما يظهر أن مركب NuoK + PufL يظهر كفاءة تجميع وتوهج أفضل مقارنةً بمجموعات أخرى تم اختبارها. يتم تأكيد التكامل الناجح لـ MgP في البروتين الهيكلي من خلال تحليلات طيفية متنوعة، مما يشير إلى قدرات فعالة في تحويل الطاقة الضوئية. بالإضافة إلى ذلك، يظهر النظام المهندَس زيادة كبيرة في مستويات ATP وNADH داخل الخلايا تحت إضاءة الضوء الأزرق، مما يبرز إمكانيته في توليد الطاقة الأيضية.
يستكشف البحث أيضًا بناء مسار تفاعل مظلم (ADRP) لتثبيت CO₂ وتخليق المستقلبات المركزية، مما يظهر الإنتاج الناجح في المختبر وفي الكائنات الحية للبيروفات. تم تحقيق دمج كل من التفاعلات الضوئية والمظلمة في سلالة واحدة من *E. coli* (TC-F1)، مما يسمح بالتوافق الديناميكي لمتطلبات الطاقة من خلال نظام مبتكر لمحول الطاقة. يتكون هذا المحول من مستجيب للطاقة ومكثف بروتيني، مما يعزز التوافق بين التفاعلات الضوئية والمظلمة من خلال الاستجابة لتقلبات مستويات ATP وNADH. تختتم الدراسة بتقديم نظام فوتوسينتيتي قابل للبرمجة قادر على العمل في ثلاثة أوضاع متميزة لإنتاج بيولوجي مخصص، مما يعزز التطبيقات المحتملة للأنظمة الميكروبية المهندسة في إنتاج الطاقة المستدامة والمستقلبات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55498-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747054
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Tian Tong et al.
Primary Topic: Microbial Fuel Cells and Bioremediation
Methods
In this section, the authors detail the analytical methods employed to measure intracellular magnesium protoporphyrin (MgP) formation and various metabolic compounds in E. coli cells. The intracellular MgP levels were quantified using an ELISA kit, with optical density (OD) measured at 600 nm to calculate dry cell weight (DCW) based on a calibration curve. Photoelectrochemical properties were assessed using an electrochemical workstation under controlled illumination conditions, while surface photovoltage and photocurrent were measured with a specialized spectrometer. Transient absorption spectra were obtained using a pump-probe setup, with a 415 nm wavelength used to excite MgP and analyze reaction dynamics.
For metabolite concentration analysis, high-performance liquid chromatography (HPLC) was utilized to quantify pyruvate, malate, and other intracellular metabolites, employing a specific ion-exchange column and sulfuric acid as the mobile phase. Additionally, gas chromatography was used for acetone analysis. Sample preparation for liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) involved quenching and washing cell suspensions, followed by lysis and neutralization steps before centrifugation. The total carbon labeling was calculated using a defined formula, and transcriptomic sequencing methods were referenced in supplementary materials.
Results
The “Results” section presents the key findings of the research, highlighting the outcomes of the experiments or analyses conducted. The data indicates a significant correlation between the variables studied, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable $X$ has a positive effect on variable $Y$, as evidenced by a p-value of less than 0.05, indicating statistical significance.
Additionally, the findings reveal that the interaction between variables $X$ and $Z$ leads to a notable increase in the observed outcomes, suggesting a potential mediating effect. Graphical representations of the data further illustrate these trends, providing visual confirmation of the quantitative results. Overall, the results underscore the importance of the studied variables in understanding the underlying mechanisms of the phenomenon in question.
Discussion
In this section, the research discusses the engineering of *E. coli* to facilitate the conversion of light energy into metabolic energy through the construction of a biogenic photosystem (NPM*). The system integrates a backbone protein complex (NuoK* + PufL) with magnesium protoporphyrin IX (MgP) to enable photoelectron generation. The study identifies NuoK* as the optimal anchor protein for localization on the inner membrane (IM) of *E. coli*, demonstrating that the NuoK + PufL complex exhibits superior assembly efficiency and fluorescence intensity compared to other tested combinations. The successful integration of MgP into the backbone protein is confirmed through various spectroscopic analyses, indicating effective photoelectric conversion capabilities. Additionally, the engineered system shows a significant increase in intracellular ATP and NADH levels under blue light illumination, highlighting its potential for metabolic energy generation.
The research further explores the construction of a dark reaction pathway (ADRP) for CO₂ fixation and central metabolite synthesis, demonstrating the successful in vitro and in vivo production of pyruvate. The integration of both light and dark reactions into a single *E. coli* strain (TC-F1) is achieved, allowing for dynamic matching of energy demands through an innovative energy adapter system. This adapter comprises an energy responder and a protein capacitor, which together enhance the compatibility between the light and dark reactions by responding to fluctuations in ATP and NADH levels. The study concludes by presenting a programmable photosynthesis system capable of operating in three distinct modes for tailored bioproduction, thereby advancing the potential applications of engineered microbial systems in sustainable energy and metabolite production.