微生物-微生物通信可用于多重代谢任务分配，增强微生物体系的协调性，在生命进化过程中扮演了重要的作用。如何开发一种简单的通用性方法来构建微生物体系通信网络系统，用于微生物代谢行为的自协调和动态调控，依然面临巨大挑战。基于氧化还原物质的通信方式可通过电子的得失实现氧化还原状态的动态可逆循环，在代谢过程的动态可逆调节中发挥了重要作用。类似于电子信息学领域的通信网络系统，氧化还原通信系统同样地可通过对连续动态的氧化还原信号进行感知、分析和处理。这种基于氧化还原的通信网络有望用于代谢过程的智能化动态可逆调控，实现代谢途径过程中的资源动态再分配，提高代谢通量，在高附加值产物生物合成等领域具有重要的应用潜力。

本研究中，作者基于微生物体系电子传递引发的Fe3+/Fe2+信号转化，建立了一个包含希瓦氏菌“路由器”、光学纳米探针“验证器”以及沼泽红细菌“致动器”的微生物循环通信网络模型，通过对体系中氧化还原动态信息的感知、分析和处理，实现微生物代谢过程的动态调控，提升微生物合成高效附加值产物的效率。通过对该模型分析研究，作者发现这种基于电子传递的氧化还原网络可促进微生物体系中相关电子传递蛋白高表达，通过氧化还原状态的动态可逆切换为沼泽红“致动器”源源不断的定向运输电子流，提高沼泽红细菌“致动器”中关键还原性分子包括NADPH、NADH的含量，进而影响微生物代谢。研究结果表明，这种基于电子传递的氧化还原网络可实现微生物代谢调控，协调双菌体系及三菌体系中细菌的代谢行为，有效提升了沼泽红细菌“致动器”生物合成效率以及CO2固定效率。此研究提出的基于电子传递的氧化还原通信的代谢调节策略有望为生物合成、碳中和等领域提供一种新的可能的思路和方法。

该项研究得到了武汉大学科研公共服务条件平台、武汉大学人民医院分子医学研究院、武汉大学化学与分子科学学院的支持。该项研究获得了国家科学技术部、国家自然科学基金委、中央高校基本科研业务费专项资金的经费支持。

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