专访李锋丨天大团队耗时八年构建「高效微生物

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

生物学家认为，电在生物体内普遍存在，组成生物体的每个细胞都是一台微型发电机。多年来，已有科学家利用微生物自身拥有的电能细胞与外界环境进行双向电子和能量传递来实现多种微生物电催化过程。

1910 年，英国科学家马克・比特就发现了微生物的培养液能够产生电流，并成功制造出世界第一块微生物电池。1962 年，美国科学家弗・斯勒带领团队研制出一部以微生物为电池的无线电发报机。可以说利用微生物发电并不稀奇。

当前微生物电化学系统在能源、环境和化学品生产等领域均有广泛应用，但微生物之间的电子传递效率低限制了其广泛应用，提高微生物之间的电子传递效率一直是科学家们致力于实现的目标。

“电能细胞包括产电细胞和噬电细胞，因此限制电子传递效率低的因素也分两大方面，在细胞产电过程中，主要体现在电子生成通量低、电子跨膜和界面传递速率慢导致电能回收率低；在细胞噬电过程中，主要体现在电子跨膜传递慢、胞内电子-还原力转化效率低、产物定向合成差。” 说道。

，天津大学助理教授，硕士生导师。研究方向为光电遗传学在物质、能量代谢中的应用。相关研究成果先后荣获中石油和化学工业联合会“科技进步奖”，“CPCIF- Clariant 可持续发展青年创新奖”等荣誉。协助教授执行及完成科技部重大 863 和国家自然科学基金，并在合成生物学重点研发专项、国家自然科学基金等国家项目的支持和科技攻关下，逐步建立了合成生物学工程强化电能细胞的理论基础和技术体系。

团队围绕电能-化学能高效转化、能量物质互相驱动的人工电能细胞设计构建，从分子、细胞、微生物生态系统等多个尺度解析电能细胞跨膜电子传递机制，阐明还原力、能量与物质代谢的协同互作机理，提出高效电能细胞的人工设计原理与合成生物学工程策略。

▲图丨电能细胞的合成生物学设计构建（来源：研究论文1）

，天津大学化工学院讲席教授、博士生导师。入选国家万人计划科技创新领军人才，科技部中青年科技创新领军人才，天津市和教育部创新人才推进计划重点领域创新团队“合成生物学创新团队”负责人。中国生物工程学会合成生物学专业委员会副主任。主持国家合成生物学重点研发专项、科技部重大863课题、国家自然科学基金、国家海洋局等项目10多项。他在国际上率先开拓了将合成生物学设计理念引入微生物电催化这个生物能源研究领域。针对微生物电催化效率低这一制约其产业化的国际难题，开发合成生物学策略，设计构建出高效微生物双向电子传递系统，有效提高了生物电催化效率。

▲ 图丨宋浩（左）、李锋（右）（来源：受访者）

为此，生辉 SynBio 邀请到了天津大学化工学院课题组的老师来与我们分享他的研究内容与科研进展。

电能细胞在众多领域展现出巨大潜力

电子作为生物体能量流与信息流的基本单元，在细胞物质-能量代谢、信号传递转导等生命体生理行为中发挥着重要作用。

基于电能细胞双向电子传递的研究已经成为国际研究热点，并在此基础上开发了多种微生物电化学系统，包括用于生物降解有机废物并同时收集电能的微生物燃料电池、产氢气的微生物电解电池、海水淡化的微生物脱盐电池、通过电还原 CO2 生产高附加值化学品和生物燃料的微生物电合成，以及与半导体合成生物学结合的光-电驱动微生物高值化学品合成等。

此外，电能细胞还可以靶向递送药物以杀伤肿瘤治疗癌症，控制自由基聚合促进有机高分子催化，生物合成金属纳米颗粒和高效降解偶氮染料等。因此，电能细胞在碳中和、能源、环境、化工和医疗等诸多领域展现出巨大的应用潜力。“电能细胞包括产电细胞和噬电细胞，这两类细胞在不同领域中呈现的功能相辅相成。”