改進的微生物燃料電池制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供具有改變的產(chǎn)電功效的轉(zhuǎn)基因微生物，包含這種微生物的生物膜以及包含這種微生物的微生物燃料電池(產(chǎn)電生物反應(yīng)器)。所述微生物燃料電池可作為檢測器、過濾裝置和傳感器操作。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本申請整體涉及基因修飾生物，特別是在微生物燃料電池中具有改進功能的基因修飾細菌，更特別地涉及具有改進的電力(電子)產(chǎn)生、改進的電子轉(zhuǎn)移、改進的與陽極接觸和/或改進的生物膜形成的基因修飾細菌。
技術(shù)介紹
一些細菌可通過在通常稱為呼吸的過程中將電子從諸如葡萄糖的低電勢底物轉(zhuǎn)移到諸如分子氧(O2)的高電勢電子受體而獲得能量。在真核細胞中，線粒體通過氧化和磷酸化的過程(通常稱為氧化磷酸化)獲得ATP形式的能量。諸如銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的革蘭氏陰性細菌在產(chǎn)生能量方面類似于真核生物線粒體發(fā)揮作用。銅綠假單胞菌是具有單極生鞭毛的革蘭氏陰性桿狀細菌。作為人條件致病菌，銅綠假單胞菌同時也是植物的條件致病菌。銅綠假單胞菌能夠在4°C至42°C的范圍下生長。其可以柴油機燃料和噴氣燃料為生，在這種情況下其是碳氫化合物利用微生物。其還可以代謝高含硝酸鹽的有機材料。銅綠假單胞菌從無數(shù)碳源獲得電子并且可在有氧、厭氧和厭氧發(fā)酵過程(例如，用精氨酸或丙酮酸)中獲得電子。在厭氧生長中，銅綠假單胞菌細胞連續(xù)偶聯(lián)氧化和磷酸化以獲得能量。在微生物燃料電池形式中，微生物向陽極而不是諸如氧、硝酸鹽或硫酸鹽的天然受體分子提供電子。已證明包括細菌和真菌的各種類型微生物在代謝期間產(chǎn)生電能，但微生物燃料電池最常用的細菌諸如地桿菌屬(Geobacter)或希瓦氏菌屬(Shewanella)。地桿菌屬細胞以一種干擾大表面積生物膜形成的方式響應(yīng)于高微生物密度。在微生物燃料電池形式中，微生物的代謝過程產(chǎn)生電子形式的能量，尤其是在厭氧生物膜生長模式中。與利用能量相反，在微生物燃料電池中微生物將來自無數(shù)經(jīng)代謝的底物的電子提供給陽極以通過電路進行轉(zhuǎn)移。該電路輸送電流通過負載，所述負載代表待通過電子流執(zhí)行的工作。所述負載可為發(fā)光裝置、機械、LCD、電氣器具、電池充電器以及許多其他裝置。一般而言，諸如細菌的微生物利用稱為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸或NAD+的輔酶來從原料或底物接受電子并因此使原料或底物氧化。NAD+從反應(yīng)物底物切下兩個氫原子。NAD+接受該氫原子中的一個從而變成NADH并在該過程中獲得電子。氫負離子或陽離子被釋放。公式如下所示，其中RH2被氧化，從而將NAD+還原成NADH。RH2可以代表諸如葡萄糖的有機底物或諸如有機廢棄物的其他有機物質(zhì)。公式I RH2+NAD+ — NADH+H++RNADH是一種強還原劑，細菌在還原另一底物時用其提供電子。NADH還原另一底物并且同時重新氧化成NAD+。在自然狀態(tài)中，該另一物質(zhì)可為氧或硫酸鹽。在微生物燃料電池中，該另一物質(zhì)可為介體或陽極。介體將電子轉(zhuǎn)移到陽極。被阻止從陽極直接移動到陰極的電子，通過外部電路轉(zhuǎn)移到陰極并通過負載執(zhí)行有用工作。專利技術(shù)概述本申請?zhí)峁┯梅蛛x的核酸分子穩(wěn)定轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)基因微生物細胞，其中該微生物細胞呈現(xiàn)改變的所關(guān)注核苷酸序列(基因)表達和改變的產(chǎn)電功效。在這些微生物細胞的一些方面，分離的核酸分子包含表達盒，該表達盒含有與所關(guān)注異源核苷酸序列可操作地連接的啟動子。所述細胞可呈現(xiàn)改變的所關(guān)注異源核苷酸序列表達，例如在細胞中表達新的或不同的多肽。相比于非轉(zhuǎn)基因細胞(通常稱為野生型)中所關(guān)注核苷酸序列的表達，轉(zhuǎn)基因(突變)細胞中所關(guān)注異源核苷酸序列的表達可被增加。在一個方面，啟動子選自包含誘導(dǎo)型啟動子和組成型啟動子的組。所述轉(zhuǎn)基因微生物細胞還可包含第二表達盒。在本專利技術(shù)的一些方面，第一表達盒可包含第二所關(guān)注異源核苷酸序列。在一個實施方案中，分離的核酸分子使所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列中斷。在該實施方 案的一些方面，將分離的核酸分子的片段從細胞移除并且所述細胞穩(wěn)定地保持中斷的所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列。在一個方面，微生物細胞呈現(xiàn)降低的所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列表達。在一個實施方案中，微生物細胞選自包含細菌細胞和真菌細胞的組。細菌細胞可選自電子轉(zhuǎn)移細菌的組，包括但不限于假單胞菌屬(Pseudomonas)、地桿菌屬(Geobacter)、希瓦氏菌屬(Shewanella)和紅育菌屬(Rhodoferax),特別是銅綠假單胞菌和惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)。在一個實施方案中，選自電子轉(zhuǎn)移細菌的組的轉(zhuǎn)基因細菌細胞包含中斷的所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列。該中斷的所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列選自包含以下的組pilT(SEQ IDN0:l)、pilA(SEQ ID NO:2)、nirS(SEQ ID NO:3)、bdlA(SEQ ID NO:4)、IasI(SEQ ID NO:5)、IasR(SEQ ID NO:6)、ftsZ(SEQ ID NO:7)和 fliC(SEQ ID NO:8) 在一個方面，轉(zhuǎn)基因細菌細胞包含至少兩個選自包含PiIT (SEQ ID N0:l)、pilA(SEQ ID NO: 2)、nirS (SEQ ID NO: 3),bdlA(SEQ ID NO:4)、IasI(SEQ ID NO:5)、IasR(SEQ ID NO:6)、ftsZ(SEQ ID N0:7)和fliC(SEQ ID NO:8)的組的中斷的所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列。在多個方面，轉(zhuǎn)基因細菌細胞包含至少三個、至少四個、至少五個、至少六個、至少七個或至少八個選自包含PilT (SEQ IDNO:I),piIA(SEQ ID NO:2)、nirS(SEQ ID NO:3)、bdlA(SEQ ID NO:4)、IasI(SEQ ID NO:5)、IasR(SEQ ID NO:6)、ftsZ(SEQ ID NO:7)和 fliC(SEQ ID NO:8)的組的中斷的所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列。在一個方面，相比于非轉(zhuǎn)基因細胞，轉(zhuǎn)基因細菌細胞具有降低的增殖能力。在一個方面，相比于非轉(zhuǎn)基因細胞，轉(zhuǎn)基因細菌細胞具有降低的毒性。降低的毒性可在哺乳動物或植物中。在一個方面，相比于非轉(zhuǎn)基因細胞，轉(zhuǎn)基因細菌細胞呈現(xiàn)降低的運動性。在一個方面，相比于非轉(zhuǎn)基因細胞，轉(zhuǎn)基因細菌細胞呈現(xiàn)改變的菌毛粘性。在一個方面，相比于非轉(zhuǎn)基因細胞，轉(zhuǎn)基因細菌細胞呈現(xiàn)改變的蹭行運動性。在一個方面，轉(zhuǎn)基因細菌細胞具有改變的含鐵細胞色素濃度，特別是在細胞的胞質(zhì)膜處或附近的含鐵細胞色素濃度。在一個方面，轉(zhuǎn)基因細菌細胞具有改變的通道形成蛋白濃度，特別是細胞外膜的通道形成濃度。在一個方面，當(dāng)細菌細胞是微生物燃料電池的組分時，轉(zhuǎn)基因細菌細胞呈現(xiàn)增加的電流輸出/細菌細胞。在一個方面，轉(zhuǎn)基因細菌呈現(xiàn)增加的直接或間接向陽極的電子轉(zhuǎn)移。在一個實施方案中，本申請?zhí)峁┌D(zhuǎn)基因細菌細胞的基質(zhì)，所述轉(zhuǎn)基因細菌細胞選自電子轉(zhuǎn)移細菌的組并呈現(xiàn)改變的產(chǎn)電功效。在一個方面，基質(zhì)選自包含海綿、過濾器、小珠、粉末、紙巾、盒、藥筒和膠囊的組。在一個實施方案中，本申請?zhí)峁┌D(zhuǎn)基因細菌細胞的生物膜，所述轉(zhuǎn)基因細菌細胞選自電子轉(zhuǎn)移細菌的組并呈現(xiàn)改變的產(chǎn)電功效。生物膜厚度在I μ m至300 μ m、10 μ m至 200 μ m、10 μ m 至 30 μ m、和 30 μ m 至 100 μ m 的范圍。提供包含轉(zhuǎn)基因細菌細胞的過濾裝置，所述轉(zhuǎn)基因細菌細胞選自電子轉(zhuǎn)移細菌的組并呈現(xiàn)改變的產(chǎn)電功效。過濾裝置可包含含有轉(zhuǎn)基因細菌細胞的生物膜。該過濾裝置可進一步包含指示器。過濾裝置可為液體材料本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.02.23 US 12/660,224;2010.02.23 US 12/660,2001.一種用分離的核酸分子穩(wěn)定轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)基因銅綠假單胞菌細胞，所述分離的核酸分子使選自包含 PilT (SEQ ID NO: I)、pi IA (SEQ ID NO: 2)、nirS (SEQ ID NO: 3)、bdlA (SEQ IDN0:4)、IasI(SEQ IDNO:5)、IasR(SEQ ID NO:6)、ftsZ(SEQ ID NO:7)和fIiC(SEQ ID NO:8)的組的所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列中斷，其中所述微生物細胞呈現(xiàn)降低的所述所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列表達并且所述細胞呈現(xiàn)改變的產(chǎn)電功效。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中至少2個所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列被中斷并且其中所述中斷的內(nèi)源核苷酸序列選自包含以下的組pilT(SEQ ID NO: I)、pi IA (SEQ IDNO:2),nirS(SEQ IDN0:3)、bdlA(SEQ ID NO:4)、IasI (SEQ ID NO:5)、IasR(SEQ ID NO:6)、ftsZ(SEQ ID NO:7)和 fliC(SEQ ED NO:8)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中所述至少兩個中斷的內(nèi)源核苷酸序列選自包含以下的所關(guān)注雙核苷酸序列的組PilT (SEQ ID NO: DbdlA(SEQ ID NO:4) ；bdlA(SEQID N0:4)nirS(SEQ ID NO: 3) ；bdlA(SEQ ID NO: 4) IasI (SEQ ID NO:5) ；nirS(SEQ ID NO:3)pi IT(SEQ ID NO:I) ；nirS(SEQ ID NO:3)IasI(SEQ ID NO :5) ； IasI (SEQ ID NO:5)pilT(SEQID NO:I) ；ftsZ(SEQ ID NO:7)pi IT(SEQ IDNO:1) ；ftsZ(SEQ ID N0:7)bdlA(SEQ ID NO :4)；ftsZ (SEQ ID N0:7)nirS(SEQ ID NO:3) jPftsZ(SEQ ID NO: 7) IasI (SEQ ID NO: 5)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中至少三個所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列被中斷并且所述至少三個中斷的內(nèi)源核苷酸序列選自包含以下的所關(guān)注三核苷酸序列的組pi IT (SEQ ID NO: DbdlA (SEQ ID NO: 4) ft sZ (SEQ ID NO :7) ；bdlA(SEQ ID NO: 4) nirS (SEQID NO:3) ftsZ(SEQ ID NO:7) ；bdlA(SEQ ID NO:4)IasI(SEQ ID NO:5) ftsZ(SEQ ID NO:7)；nirS(SEQ ID NO:3)pi IT(SEQ ID NO:I)ftsZ(SEQ IDNO:7) ；nirS(SEQ ID NO:3)IasI(SEQID NO:5) ftsZ(SEQ ID NO:7) ；lasI(SEQ ID NO:5)pilT(SEQ ID NO:I)ftsZ(SEQ ID NO:7)；pilT(SEQID NO: DbdlA (SEQ ID NO: 4) nirS (SEQ ID NO:3) ；pilT(SEQ ID NO: l)bdlA (SEQ IDN0:4)IasI(SEQ ID NO:5) jPbdlA(SEQ ID NO:4)IasI(SEQ ID NO:5)nirS(SEQ ID NO:3)。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中至少四個所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列被中斷并且所述至少四個中斷的內(nèi)源核苷酸序列選自包含以下的所關(guān)注四核苷酸序列的組pi IT (SEQ ID NO: DbdlA (SEQ ID NO: 4) nirS (SEQ ID NO: 3) ft sZ (SEQ ID NO :7) ；pilT(SEQID NO: DbdlA (SEQ ID NO: 4) IasI (SEQ ID NO: 5) ft sZ (SEQ ID NO :7) ；bdlA(SEQ ID NO :4)IasI (SEQ ID NO:5)nirS(SEQ ID NO:3)ftsZ(SEQ IDNO: 7)和pi IT (SEQ ID NO:I)bdlA(SEQID N0:4)IasI(SEQ ID NO:5)nirS(SEQ ID NO:3)。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中至少五個所關(guān)注內(nèi)源核苷酸序列被中斷并且所述至少五個中斷的內(nèi)源核苷酸序列選自包含以下的所關(guān)注五核苷酸序列的組pilT(SEQ ID NO: DbdlA (SEQ ID NO :4) IasI (SEQ ID N0:5)nirS(SEQ ID NO: 3) ft sZ (SEQ IDNO :7)。7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中所述細胞相比于非轉(zhuǎn)基因細胞具有降低的增殖能力。8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中所述細胞相比于非轉(zhuǎn)基因細胞具有降低的毒性。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中所述降低的毒性是在哺乳動物或植物中。10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中所述細胞相比于非轉(zhuǎn)基因細胞呈現(xiàn)降低的運動性。11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中所述細胞相比于非轉(zhuǎn)基因細胞呈現(xiàn)改變的菌毛粘性。12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中所述細胞相比于非轉(zhuǎn)基因細胞呈現(xiàn)改變的蹭行運動性。13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細菌細胞，其中當(dāng)所述細菌細胞是微生物燃料電池的組分時所述細胞呈現(xiàn)增加的電流輸出/細菌細胞。14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中所述細胞呈現(xiàn)增加的向陽極的電子轉(zhuǎn)移。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)基因細胞，其中所述電子轉(zhuǎn)移是直接或間接的。16.一種基質(zhì)，包含根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細胞。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基質(zhì)，其中所述基質(zhì)選自包含以下的組海綿、過濾器、小珠、粉末、紙巾、盒、藥筒和膠囊。18.—種生物膜，包含根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細菌細胞，其中所述生物膜的厚度介于I μ m和300 μ m之間。19.一種過濾裝置，包含根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細菌細胞。20.一種包含生物膜的過濾裝置，所述生物膜包含根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細菌細胞。21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的過濾裝置，其中所述裝置包含指示器。22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的過濾裝置，其中所述過濾裝置選自包含以下的組液體材料過濾裝置和氣體材料過濾裝置。23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的氣體材料過濾裝置，其中所述轉(zhuǎn)基因細菌細胞利用選自包含二氧化碳、NO2, NO3> SO2,甲烷、N2O和SO3的組的溫室氣體作為原料。24.一種微生物燃料電池，包含根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細菌細胞、陽極室和陰極室。25.一種微生物燃料電池，包含含有根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)基因細胞的生物膜、陽極室和陰極室。26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物燃料電池，其中所述陽極室為可拆卸的。27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物燃料電池，其中所述生物膜附著到所述陽極。28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物燃料電池，其中所述生物膜暴露于選自包含污水、肥料徑流、廢水、動物廢棄物、氣體材料和溫室氣體的組的原料。29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物燃料電池，其中在所述生物膜周圍保持厭氧條件。30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物染料電池，其中所述陽極室用生物膜抑制劑預(yù)處理。31.根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物燃料電池，還包含介體。32.一種用于檢測預(yù)定化合物的傳感器，包含根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物燃料電池和指示器，其中所述指示器指示所述化合物的異常水平。33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的傳感器，還包含用于檢測第二預(yù)定化合物的第二轉(zhuǎn)基因細菌細胞。34.根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物燃料電池，還包含超級電容器。35.根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物燃料電池，還包含水轉(zhuǎn)移組件，其中所述水轉(zhuǎn)移組件將由所述微生物燃料電池產(chǎn)生的水轉(zhuǎn)移到集水裝置或轉(zhuǎn)移到外部環(huán)境。36.根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物燃料電池，還包含氫轉(zhuǎn)移組件。37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的微生物燃料電池，還包含氫燃料電池。38.一種生物修復(fù)系統(tǒng)，包含根據(jù)權(quán)利要求25所述的微生物燃料電池，其中所述轉(zhuǎn)基因細菌細胞利用預(yù)定化合物作為原料并且所述細胞將所述預(yù)定化合物轉(zhuǎn)化成第二化合物。39.一種微生物燃料電池，包含 至少一個陰極； 至少一個與所述至少一個陰極電連通的陽極，所述至少一個陽極包含導(dǎo)電材料； 包含多個細菌細胞的生物膜，所述生物膜可操作地偶聯(lián)到所述至少一個陽極，其中所述生物膜有利于從所述生物膜轉(zhuǎn)移多個電子至所述至少一個陽極...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：R·T·歐文，J·E·巴克魯，D·J·哈西特，
申請(專利權(quán))人：貝克蒂瑞羅博蒂克斯有限責(zé)任公司，辛辛那提大學(xué)，
類型：
國別省市：