丁德武, 張 鵾, 何小青, 謝建明

(1. 宜春學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院, 宜春 336000;2. 池州學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院, 池州 247000;3. 東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 南京 210096;4. 東南大學(xué)生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

厭氧條件下,某些微生物能夠?qū)⑺鼈兗?xì)胞內(nèi)新陳代謝過程中產(chǎn)生的電子傳遞到細(xì)胞外,還原胞外電子被稱為受體并產(chǎn)生能量維持其自身生長(zhǎng)。通常,這一過程被稱為胞外電子傳遞(extracellular electron transfer,EET);這些微生物被稱為產(chǎn)電微生物[1]。一般認(rèn)為,產(chǎn)電微生物的EET過程對(duì)地球環(huán)境中碳、氮、硫、鐵、錳等元素的循環(huán)產(chǎn)生重要影響[2]。EET能力也使產(chǎn)電微生物成為生物電化學(xué)系統(tǒng)的重要研究對(duì)象,在能源生產(chǎn)、廢水處理、生物修復(fù)與化學(xué)合成等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[3]。例如,在能源生產(chǎn)方面,產(chǎn)電微生物可以通過與電極相互作用,把電子傳遞到電極上,從而產(chǎn)生電流輸出,即微生物燃料電池(microbial fuel cells,MFC)。Logan等[4]關(guān)于同步微生物產(chǎn)電和污水處理的研究實(shí)現(xiàn)了清潔電能生產(chǎn)和有機(jī)廢棄物處理,使MFC技術(shù)成為能源與環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在化學(xué)合成領(lǐng)域,Tefft等[5]構(gòu)造了氫化酶缺失型希瓦氏菌ShewanellaoneidensisMR-1,并利用其天然的Mtr蛋白和外源性光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵積累NADH(還原型輔酶I),能夠由丙酮合成極具應(yīng)用價(jià)值的2,3-丁二醇。

然而,產(chǎn)電微生物的EET效率通常較低,這已經(jīng)成為限制產(chǎn)電微生物應(yīng)用技術(shù)研究和發(fā)展的瓶頸[6-7]。當(dāng)前,研究人員已經(jīng)從遺傳學(xué)、電化學(xué)、生理生態(tài)學(xué)和基因組學(xué)等方面深入解析了希瓦氏菌和地桿菌兩個(gè)菌屬的產(chǎn)電微生物與電子傳遞相關(guān)的基礎(chǔ)理論問題[8-9]。隨著越來(lái)越多的產(chǎn)電微生物被發(fā)現(xiàn),從生物信息學(xué)角度開展產(chǎn)電微生物EET機(jī)制的理論研究,揭示產(chǎn)電微生物的EET過程及其調(diào)控機(jī)制,已經(jīng)成為研究和發(fā)展產(chǎn)電微生物應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[10]。

1 生物網(wǎng)絡(luò)

一般認(rèn)為,生物體內(nèi)的各種生物分子(如:基因、蛋白、代謝物)通過它們之間的相互作用(如:轉(zhuǎn)錄調(diào)控、蛋白互作、代謝反應(yīng))完成各種生物學(xué)功能。這些相互作用的總體構(gòu)成各類生物網(wǎng)絡(luò),如:調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、蛋白網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò)等[11]。目前,研究人員已經(jīng)通過蛋白網(wǎng)絡(luò)、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與整合網(wǎng)絡(luò)等多種生物網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)產(chǎn)電微生物的EET過程開展了系列研究。

1.1 多樣化的電子傳遞分子

研究表明,多種分子參與產(chǎn)電微生物的EET過程。從內(nèi)膜通過周質(zhì)、外膜到細(xì)胞外部空間,產(chǎn)電微生物可以通過細(xì)胞色素c和外膜的孔蛋白等多種蛋白質(zhì)形成EET途徑完成EET過程[圖1 (a)][12-13]。除了使用“孔蛋白-細(xì)胞色素c”形成主干EET途徑,產(chǎn)電微生物還會(huì)使用其他細(xì)胞色素c與電子傳遞蛋白輔助這些EET途徑。Edwards等[14]通過中子小角散射實(shí)驗(yàn)研究希瓦氏菌S.oneidensisMR-1中跨膜復(fù)合物MtrCAB的分子結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)MtrCAB與細(xì)胞周質(zhì)的細(xì)胞色素cSTC之間的直接相互作用,揭示STC可以作為氧化還原伴侶來(lái)輔助MtrCAB途徑的周質(zhì)電子傳遞過程。Malvankar等[15]使用靜電力顯微鏡觀察到地桿菌導(dǎo)電性菌毛中的電荷傳遞,Wegener等[16]報(bào)道硫酸鹽還原菌HotSeep-1在與厭氧甲烷氧化古菌ANME-1共培養(yǎng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生類似的導(dǎo)電性菌毛。研究人員發(fā)現(xiàn)多種微生物都具有這樣的導(dǎo)電性菌毛[17]。Wang等[18]建立分辨率為0.37 nm的“納米導(dǎo)線”原子模型,他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素c廣泛分布在其中起到關(guān)鍵的電子傳遞作用[圖1 (b)] 。多種電子介體均可參與介導(dǎo)細(xì)胞表面的電子傳遞過程[圖1 (c)][19]。Light等[20]發(fā)現(xiàn)一個(gè)胞外還原酶家族蛋白,論證它能夠通過一個(gè)保守的黃素化序列模體介導(dǎo)外膜與胞外電子介體之間的電子傳遞過程。

產(chǎn)電微生物首先通過EET途徑將細(xì)胞質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的電子傳遞到細(xì)胞的外膜表面,然后電子進(jìn)一步從外膜的細(xì)胞色素c傳遞到胞外電子受體。(a)外膜細(xì)胞色素c的直接接觸[12-13];(b)細(xì)胞外膜和周質(zhì)的延伸(原先的“納米導(dǎo)線”)[15-18];(c)兩種電子介體相關(guān)的機(jī)制:黃素-細(xì)胞色素復(fù)合物和電子穿梭體[19]。 MtrA:周質(zhì)細(xì)胞色素c;MtrB:外膜孔蛋白;MtrC和OmcA:外膜細(xì)胞色素c。圖1 幾種典型的電子傳遞機(jī)制Figure 1 Several typical electron transfer mechanisms

產(chǎn)電微生物中的某些EET分子還具有豐富的基因多樣性。例如:希瓦氏菌S.oneidensisMR-1中僅細(xì)胞色素c基因就有41個(gè),地桿菌GeobactersulfurreducensPCA則達(dá)到110多個(gè)[21]。這意味著產(chǎn)電微生物可能會(huì)在不同的環(huán)境下表達(dá)不同的細(xì)胞色素c基因,構(gòu)成不同的EET途徑。鑒于細(xì)胞內(nèi)的生物分子需要通過與分子的相互作用來(lái)執(zhí)行它們的功能,分子網(wǎng)絡(luò)研究往往有助于從整體上理解基因和蛋白的功能;此類研究可用于識(shí)別重要基因、預(yù)測(cè)蛋白功能、挖掘與特定生物學(xué)途徑相關(guān)的功能模塊等[22]。因而,可以通過生物網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建和分析來(lái)研究EET過程。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于EET分子網(wǎng)絡(luò)的研究已有一些階段性的成果。

1.2 蛋白網(wǎng)絡(luò)

Zhang等[23]報(bào)道了一個(gè)包含18個(gè)蛋白的小尺度網(wǎng)絡(luò),研究OmcA和MtrC等重要EET蛋白之間的相互作用。Sturm等[24]描繪了一個(gè)動(dòng)態(tài)的周質(zhì)電子傳遞網(wǎng)絡(luò),發(fā)現(xiàn)某些周質(zhì)細(xì)胞色素c可以通過高頻率的瞬時(shí)蛋白相互作用促進(jìn)電子傳遞;他們還發(fā)現(xiàn)周質(zhì)的電子傳遞過程涉及為特定的電子受體分配特異的EET蛋白。Alves等[25]通過對(duì)多種細(xì)胞色素相互作用網(wǎng)絡(luò)的分析,發(fā)現(xiàn)小四倍體細(xì)胞色素STC在S.oneidensisMR-1的厭氧呼吸代謝中起核心作用,對(duì)維持S.oneidensisMR-1多功能厭氧代謝的周質(zhì)氧化還原網(wǎng)絡(luò)有較大幫助。Li等[26]研究了不同電位對(duì)地桿菌G.sulfurreducens新陳代謝和胞外呼吸的影響,發(fā)現(xiàn)它們也是通過多種EET蛋白的差異表達(dá)來(lái)調(diào)整不同條件下的EET過程。Ding等[27-28]構(gòu)建了產(chǎn)電微生物希瓦氏菌S.oneidensisMR-1的基因組尺度細(xì)胞色素c相互作用網(wǎng)絡(luò),不僅通過網(wǎng)絡(luò)中心化分析識(shí)別一些關(guān)鍵的細(xì)胞色素c,還結(jié)合網(wǎng)絡(luò)模塊分析與亞細(xì)胞定位信息推斷出潛在EET途徑,并使用基因表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)。隨后,進(jìn)一步擴(kuò)展了上述細(xì)胞色素c網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了一個(gè)電子傳遞網(wǎng)絡(luò)并探討了它的形成及其中蘊(yùn)含的EET機(jī)制,也從網(wǎng)絡(luò)中識(shí)別出一些可以用來(lái)促進(jìn)細(xì)胞周質(zhì)電子傳遞過程的細(xì)胞色素c。它們大多具有較多的無(wú)序蛋白區(qū)域,容易形成高頻的瞬時(shí)相互作用來(lái)促進(jìn)細(xì)胞周質(zhì)的電子傳遞過程。此外,Ding等[29]還通過對(duì)“活躍”蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的分析,識(shí)別了產(chǎn)電微生物S.oneidensisMR-1中兩個(gè)與電子傳遞相關(guān)的重要功能模塊:一個(gè)多血紅素細(xì)胞色素c模塊和一個(gè)信號(hào)處理模塊,并討論了其中的關(guān)鍵蛋白以及它們?cè)贓ET過程中發(fā)揮的作用。

綜上,研究表明產(chǎn)電微生物能夠通過電子傳遞蛋白構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)維持其自身的EET過程,網(wǎng)絡(luò)的核心與外圍分別負(fù)責(zé)不同的電子傳遞功能。

1.3 調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

生物體內(nèi)所有轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系的總體構(gòu)成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[11]。Leang等[30]研究了硫還原地桿菌G.sulfurreducens中RNA聚合酶σ因子RpoN在基因表達(dá)調(diào)控中的作用,建立RpoN調(diào)控模塊。Luo等[31]在綠膿桿菌P.aeruginosaPAO1中引入外源性全局調(diào)控因子IrrE,發(fā)現(xiàn)新菌株的功率密度比對(duì)照株高出71%,論證以細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)絡(luò)為靶點(diǎn)可以有效提高產(chǎn)電微生物的EET效率。Li等[32]設(shè)計(jì)一個(gè)基于群感效應(yīng)的種群狀態(tài)決策系統(tǒng),對(duì)幾條EET途徑分別重編程后,菌株的電流輸出和污染物處理能力均有所提升;同時(shí)重編程由其中3條途徑組成的“小型EET網(wǎng)絡(luò)”則能達(dá)到更好的效果。Ding等[33]也通過對(duì)希瓦氏菌中與EET途徑相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)控模塊的構(gòu)建與分析,識(shí)別出一些在EET基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程中發(fā)揮重要作用的信號(hào)蛋白質(zhì),并通過對(duì)這些信號(hào)蛋白以及它們作用伴侶的深入分析,研究信號(hào)蛋白在轉(zhuǎn)錄調(diào)控模塊中發(fā)揮的作用以及它們對(duì)EET過程的影響。

1.4 整合網(wǎng)絡(luò)

Raanan等[34]通過對(duì)氧化還原酶的結(jié)構(gòu)相似性分析,確定一組基本的電子轉(zhuǎn)移單元,主要包括:細(xì)菌鐵氧還蛋白、細(xì)胞色素c、異丙菊酯和質(zhì)體藍(lán)蛋白型的折疊單元,構(gòu)建由這些基本電子轉(zhuǎn)移單元組成的空間鄰接網(wǎng)絡(luò)(SPAN),進(jìn)而從SPAN的角度探討電子傳遞鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及它們的形成與演化;這種整合蛋白結(jié)構(gòu)信息的網(wǎng)絡(luò)模型為研究EET途徑提供獨(dú)特見解。Ding等[35]也通過對(duì)13種希瓦氏菌的整合轉(zhuǎn)錄調(diào)控和蛋白交互網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與分析,識(shí)別了整合生物網(wǎng)絡(luò)中的保守混合網(wǎng)絡(luò)模體,發(fā)現(xiàn)了一種稱為“共調(diào)控PPI”的高保守網(wǎng)絡(luò)模體,建立它們和蛋白質(zhì)的“提前準(zhǔn)備”合成模式之間的關(guān)聯(lián),用于識(shí)別細(xì)胞為迅速響應(yīng)環(huán)境的變化而需要提前合成的重要蛋白質(zhì)。

2 組學(xué)方法

高通量技術(shù)的發(fā)展和越來(lái)越多產(chǎn)電微生物組學(xué)數(shù)據(jù)的出現(xiàn)使得人們可以從多個(gè)不同的層面來(lái)研究產(chǎn)電微生物的EET過程。通過對(duì)各種組學(xué)數(shù)據(jù)的分析,可以篩選在不同條件下顯著差異表達(dá)的基因,進(jìn)而挖掘與產(chǎn)電功能密切相關(guān)的EET基因。目前,研究人員已經(jīng)從基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等各種組學(xué)數(shù)據(jù)的角度對(duì)此類問題開展了大量研究。

2.1 基因組學(xué)

Kracher等[36]分析了97個(gè)真菌基因組,通過結(jié)合基因組數(shù)據(jù)和生物化學(xué)方法,闡明了3種與纖維素降解相關(guān)的EET系統(tǒng)的相對(duì)重要性以及它們與真菌生活方式之間的關(guān)系。采用比較基因組學(xué)的方法,Butler等[37]分析了Geobacter屬的不同菌種在胞外電子傳遞過程中的差異。結(jié)果表明,KN400株中電子轉(zhuǎn)移速率的增加和EET性能的改善是因?yàn)檠趸緩街刑纪康淖兓虯TP代謝的變化,兩種情況都會(huì)影響細(xì)胞色素c的折疊、定位和氧化還原電位。Leyn等[38]也通過比較基因組學(xué)方法識(shí)別了大腸桿菌和希瓦氏菌中的21個(gè)代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子,根據(jù)代謝功能對(duì)它們進(jìn)行了分類,并具體討論了ArgR、TyrR、TrpR、HutC和HypR等轉(zhuǎn)錄因子。最近,Chadwick等[39]比較了39個(gè)厭氧甲烷氧化菌基因組,識(shí)別了保守的多血紅素細(xì)胞色素c和生物能復(fù)合物,發(fā)現(xiàn)由MHC-A、MHC-B、MHC-C、HdrABC和MvhADG等蛋白質(zhì)及其復(fù)合物參與的電子分岔途徑。

2.2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)

Embree等[40]利用野生型和fur突變株在不同鐵濃度下的基因表達(dá)水平,研究G.sulfurreducens的轉(zhuǎn)錄因子Fur在協(xié)調(diào)Fe(II)氧化和Fe(III)還原過程中的調(diào)節(jié)作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同鐵濃度下細(xì)胞色素c基因的表達(dá)水平有很大的差異。當(dāng)鐵濃度較高時(shí),OmcZ這類多血紅素細(xì)胞色素c發(fā)揮重要作用;而當(dāng)鐵濃度降低時(shí),GSU3274等少血紅素細(xì)胞色素c則變得重要起來(lái)。Barchinger等[41]使用RNA-Seq數(shù)據(jù),分析希瓦氏菌S.oneidensisMR-1在厭氧條件下的差異表達(dá),并從中識(shí)別促進(jìn)EET過程的基因集。黃建福[42]分析不同培養(yǎng)環(huán)境下S.oneidensisMR-1的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)在鐵硫環(huán)境下該菌鐵還原代謝通路上的基因表達(dá)水平有所提升,得出鐵硫環(huán)境能提高EET效率的結(jié)論。

2.3 蛋白組學(xué)

Yun等[43]使用凝膠分離和質(zhì)譜分析等蛋白組學(xué)技術(shù),識(shí)別了在鈾生物修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用的細(xì)胞色素c(GscA),其功能與硫還原地桿菌G.sulfurreducens中的OmcS類似,即通過與導(dǎo)電性菌毛協(xié)調(diào)作用促進(jìn)電子的傳遞。Kavanagh等[44]則采用比較蛋白質(zhì)組學(xué)分析了G.sulfurreducens在電子受體改變時(shí)的主要生理變化,論證幾類分泌系統(tǒng)在長(zhǎng)程電子傳遞過程中發(fā)揮的作用。Grobbler等[45]使用定量蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)細(xì)胞變化進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)S.oneidensisMR-1電子傳遞蛋白的豐度隨電極電位的不同而不同。在前述活躍蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的分析中,我們也使用蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù),分析了希瓦氏菌S.oneidensisMR-1在不同條件下的差異表達(dá),進(jìn)而從中識(shí)別一些可以促進(jìn)EET過程的蛋白質(zhì)[29]。

2.4 整合多組學(xué)

生命體是一個(gè)多層次、多功能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體。多種組學(xué)數(shù)據(jù)間既相互關(guān)聯(lián)又各有側(cè)重,例如:轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)主要提供細(xì)胞中基因轉(zhuǎn)錄的情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律,蛋白組數(shù)據(jù)能夠用于理解細(xì)胞的翻譯調(diào)控策略。因而,聯(lián)合多組學(xué)數(shù)據(jù)分析能夠提供更全面的信息。Taylor等[46]通過組合轉(zhuǎn)錄組和蛋白組數(shù)據(jù),研究了希瓦氏菌S.oneidensisMR-1在不同氧氣情況下各基因的mRNA與相應(yīng)蛋白質(zhì)的表達(dá)水平,討論了蛋白質(zhì)翻譯效率的變化情況及其對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)菌蛋白質(zhì)表達(dá)水平的影響。Qiu等[47]通過整合多組學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建了硫還原地桿菌的σ因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),揭示了模塊化調(diào)控單元之間的多層次相互作用及其對(duì)能量代謝與EET過程的協(xié)調(diào)調(diào)控。

2.5 宏組學(xué)

通過組合EET活性微生物群落對(duì)不同電子受體和電子供體條件下的代謝和轉(zhuǎn)錄響應(yīng),Ishii等[48]識(shí)別了Geobacter/Pelobacter中的關(guān)鍵代謝基因,附屬物/轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因和多血紅素的細(xì)胞色素c基因等。Ni等[49]通過宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析了用于硫氰酸鹽降解的微生物燃料電池中陽(yáng)極的微生物群落,結(jié)果表明硫氰酸鹽的降解主要是通過氰酸鹽降解途徑完成的,為硫氰酸鹽降解與EET過程的耦合提供了證據(jù)。Meier等[50]也通過宏基因組學(xué)和宏蛋白組學(xué)技術(shù)分析了微生物對(duì)金屬硫化物的氧化作用,硫還原硝化螺旋菌門Nitrospirae和硫氧化的伽馬變形菌綱Gammaprotebacteria等細(xì)菌分支的潛在生活方式。他們的宏蛋白組數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明這些細(xì)菌主要是通過EET過程來(lái)促進(jìn)金屬硫化物的溶解。楊洋[51]結(jié)合宏基因組學(xué)、單細(xì)胞基因組學(xué)和宏蛋白組學(xué)方法,發(fā)現(xiàn)了在低溫下生物膜的基礎(chǔ)代謝依舊保持活躍,但在次優(yōu)條件下氧化代謝反應(yīng)受到抑制并會(huì)影響EET速率。

3 整合組學(xué)數(shù)據(jù)到生物網(wǎng)絡(luò)

如前所述,國(guó)內(nèi)外已有一些利用各種網(wǎng)絡(luò)方法和組學(xué)數(shù)據(jù)研究產(chǎn)電微生物EET過程的工作,但大多主要關(guān)注某一類網(wǎng)絡(luò)模型,或者一兩種組學(xué)數(shù)據(jù),很少將網(wǎng)絡(luò)模型與組學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)。目前,生物網(wǎng)絡(luò)和多組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析已在醫(yī)藥疾病等多個(gè)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展[52-53]。受此啟發(fā),我們也初步嘗試了將組學(xué)數(shù)據(jù)整合到生物網(wǎng)絡(luò)中研究產(chǎn)電微生物的EET過程。

首先,通過對(duì)全基因組共適應(yīng)度數(shù)據(jù)和蛋白網(wǎng)絡(luò)的整合分析,識(shí)別了產(chǎn)電微生物S.oneidensisMR-1中可用于響應(yīng)多種不同環(huán)境條件的一些重要EET基因,如:ScyA (SO0264)、PetC(SO0610)、CcoP (SO2361)、CcoO (SO2363)和CytcB (SO4666)等。對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中較少報(bào)道的CytcB,通過對(duì)其三維結(jié)構(gòu)、亞細(xì)胞定位和無(wú)序區(qū)域的分析,預(yù)測(cè)了它能夠用于介導(dǎo)細(xì)胞周質(zhì)的電子傳遞過程[54]。此外,確定了不同細(xì)胞色素c的高共適應(yīng)基因,發(fā)現(xiàn)其中富集了大量的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白,論證了不同細(xì)胞色素c的協(xié)調(diào)利用以及信號(hào)蛋白質(zhì)與細(xì)胞色素c之間的合作,并識(shí)別了一個(gè)參與對(duì)CymA調(diào)控的信號(hào)蛋白質(zhì)[55]。

其次,整合了S.oneidensisMR-1的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和蛋白網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù),分析了EET過程激活前后蛋白質(zhì)翻譯效率的變化,發(fā)現(xiàn)差異翻譯的蛋白質(zhì)往往具有較高的網(wǎng)絡(luò)連接度。進(jìn)而,構(gòu)建了差異翻譯蛋白形成的子網(wǎng)絡(luò),分析了其中的功能模塊和調(diào)控單元,討論了差異翻譯對(duì)EET過程的影響。還發(fā)現(xiàn)位于同一個(gè)操縱子上基因的翻譯效率往往不會(huì)全部上調(diào)或全部下調(diào)。在此基礎(chǔ)上,識(shí)別了參與EET過程的關(guān)鍵基因(如:尿卟啉原脫羧酶HemE)與基因簇(如:argBFGH、lldEFG、mtrCAB、thrABC、csgEFG等),并從蛋白翻譯效率的角度探討了EET過程相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和蛋白互作的協(xié)調(diào)作用[56]。

4 總結(jié)與展望

當(dāng)前,研究人員已經(jīng)通過網(wǎng)絡(luò)方法與組學(xué)方法開展了產(chǎn)電微生物EET過程的系列研究,在基因功能分析、關(guān)鍵分子識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)模塊挖掘與生物學(xué)途徑推斷等方面均取得了一定的成績(jī)。這些理論研究也具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,例如:可以通過EET機(jī)制的研究鑒定關(guān)鍵的EET分子,進(jìn)而通過基因工程技術(shù)改造產(chǎn)電微生物,提高它們的電子傳遞效率,優(yōu)化生物電化學(xué)裝置(如MFC)的性能與效率。文章從生物信息學(xué)角度,系統(tǒng)總結(jié)使用網(wǎng)絡(luò)方法與組學(xué)方法研究產(chǎn)電微生物的胞外電子傳遞等相關(guān)方面的工作,表1簡(jiǎn)要分類概括了本文介紹的相關(guān)工作。

表1 產(chǎn)電微生物胞外電子傳遞研究的網(wǎng)絡(luò)與組學(xué)研究工作Table 1 Network and omics works on studying extracellular electron transfer in electricigens

然而,當(dāng)前的整合研究尚未完全建立不同類型的分子特征和網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)元素類型之間的直接聯(lián)系。以轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)為例,靶基因的表達(dá)(mRNA水平)會(huì)受到轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控,而轉(zhuǎn)錄因子活性又受到與它相互作用的蛋白質(zhì)的影響;因而,網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)錄因子及其靶基因需要分別和蛋白質(zhì)豐度與mRNA水平關(guān)聯(lián)起來(lái)。因此,未來(lái)需要整合多種生物網(wǎng)絡(luò)和多種組學(xué)數(shù)據(jù)一起開展產(chǎn)電微生物EET過程的理論研究工作,進(jìn)一步為相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究提供科學(xué)線索。