改进的微生物燃料电池制造技术

本发明专利技术提供具有改变的产电功效的转基因微生物，包含这种微生物的生物膜以及包含这种微生物的微生物燃料电池(产电生物反应器)。所述微生物燃料电池可作为检测器、过滤装置和传感器操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请整体涉及基因修饰生物，特别是在微生物燃料电池中具有改进功能的基因修饰细菌，更特别地涉及具有改进的电力(电子)产生、改进的电子转移、改进的与阳极接触和/或改进的生物膜形成的基因修饰细菌。
技术介绍
一些细菌可通过在通常称为呼吸的过程中将电子从诸如葡萄糖的低电势底物转移到诸如分子氧(O2)的高电势电子受体而获得能量。在真核细胞中，线粒体通过氧化和磷酸化的过程(通常称为氧化磷酸化)获得ATP形式的能量。诸如铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的革兰氏阴性细菌在产生能量方面类似于真核生物线粒体发挥作用。铜绿假单胞菌是具有单极生鞭毛的革兰氏阴性杆状细菌。作为人条件致病菌，铜绿假单胞菌同时也是植物的条件致病菌。铜绿假单胞菌能够在4°C至42°C的范围下生长。其可以柴油机燃料和喷气燃料为生，在这种情况下其是碳氢化合物利用微生物。其还可以代谢高含硝酸盐的有机材料。铜绿假单胞菌从无数碳源获得电子并且可在有氧、厌氧和厌氧发酵过程(例如，用精氨酸或丙酮酸)中获得电子。在厌氧生长中，铜绿假单胞菌细胞连续偶联氧化和磷酸化以获得能量。在微生物燃料电池形式中，微生物向阳极而不是诸如氧、硝酸盐或硫酸盐的天然受体分子提供电子。已证明包括细菌和真菌的各种类型微生物在代谢期间产生电能，但微生物燃料电池最常用的细菌诸如地杆菌属(Geobacter)或希瓦氏菌属(Shewanella)。地杆菌属细胞以一种干扰大表面积生物膜形成的方式响应于高微生物密度。在微生物燃料电池形式中，微生物的代谢过程产生电子形式的能量，尤其是在厌氧生物膜生长模式中。与利用能量相反，在微生物燃料电池中微生物将来自无数经代谢的底物的电子提供给阳极以通过电路进行转移。该电路输送电流通过负载，所述负载代表待通过电子流执行的工作。所述负载可为发光装置、机械、LCD、电气器具、电池充电器以及许多其他装置。一般而言，诸如细菌的微生物利用称为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸或NAD+的辅酶来从原料或底物接受电子并因此使原料或底物氧化。NAD+从反应物底物切下两个氢原子。NAD+接受该氢原子中的一个从而变成NADH并在该过程中获得电子。氢负离子或阳离子被释放。公式如下所示，其中RH2被氧化，从而将NAD+还原成NADH。RH2可以代表诸如葡萄糖的有机底物或诸如有机废弃物的其他有机物质。公式I RH2+NAD+ — NADH+H++RNADH是一种强还原剂，细菌在还原另一底物时用其提供电子。NADH还原另一底物并且同时重新氧化成NAD+。在自然状态中，该另一物质可为氧或硫酸盐。在微生物燃料电池中，该另一物质可为介体或阳极。介体将电子转移到阳极。被阻止从阳极直接移动到阴极的电子，通过外部电路转移到阴极并通过负载执行有用工作。专利技术概述本申请提供用分离的核酸分子稳定转化的转基因微生物细胞，其中该微生物细胞呈现改变的所关注核苷酸序列(基因)表达和改变的产电功效。在这些微生物细胞的一些方面，分离的核酸分子包含表达盒，该表达盒含有与所关注异源核苷酸序列可操作地连接的启动子。所述细胞可呈现改变的所关注异源核苷酸序列表达，例如在细胞中表达新的或不同的多肽。相比于非转基因细胞(通常称为野生型)中所关注核苷酸序列的表达，转基因(突变)细胞中所关注异源核苷酸序列的表达可被增加。在一个方面，启动子选自包含诱导型启动子和组成型启动子的组。所述转基因微生物细胞还可包含第二表达盒。在本专利技术的一些方面，第一表达盒可包含第二所关注异源核苷酸序列。在一个实施方案中，分离的核酸分子使所关注内源核苷酸序列中断。在该实施方 案的一些方面，将分离的核酸分子的片段从细胞移除并且所述细胞稳定地保持中断的所关注内源核苷酸序列。在一个方面，微生物细胞呈现降低的所关注内源核苷酸序列表达。在一个实施方案中，微生物细胞选自包含细菌细胞和真菌细胞的组。细菌细胞可选自电子转移细菌的组，包括但不限于假单胞菌属(Pseudomonas)、地杆菌属(Geobacter)、希瓦氏菌属(Shewanella)和红育菌属(Rhodoferax),特别是铜绿假单胞菌和恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)。在一个实施方案中，选自电子转移细菌的组的转基因细菌细胞包含中断的所关注内源核苷酸序列。该中断的所关注内源核苷酸序列选自包含以下的组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) 在一个方面，转基因细菌细胞包含至少两个选自包含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)的组的中断的所关注内源核苷酸序列。在多个方面，转基因细菌细胞包含至少三个、至少四个、至少五个、至少六个、至少七个或至少八个选自包含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)的组的中断的所关注内源核苷酸序列。在一个方面，相比于非转基因细胞，转基因细菌细胞具有降低的增殖能力。在一个方面，相比于非转基因细胞，转基因细菌细胞具有降低的毒性。降低的毒性可在哺乳动物或植物中。在一个方面，相比于非转基因细胞，转基因细菌细胞呈现降低的运动性。在一个方面，相比于非转基因细胞，转基因细菌细胞呈现改变的菌毛粘性。在一个方面，相比于非转基因细胞，转基因细菌细胞呈现改变的蹭行运动性。在一个方面，转基因细菌细胞具有改变的含铁细胞色素浓度，特别是在细胞的胞质膜处或附近的含铁细胞色素浓度。在一个方面，转基因细菌细胞具有改变的通道形成蛋白浓度，特别是细胞外膜的通道形成浓度。在一个方面，当细菌细胞是微生物燃料电池的组分时，转基因细菌细胞呈现增加的电流输出/细菌细胞。在一个方面，转基因细菌呈现增加的直接或间接向阳极的电子转移。在一个实施方案中，本申请提供包含转基因细菌细胞的基质，所述转基因细菌细胞选自电子转移细菌的组并呈现改变的产电功效。在一个方面，基质选自包含海绵、过滤器、小珠、粉末、纸巾、盒、药筒和胶囊的组。在一个实施方案中，本申请提供包含转基因细菌细胞的生物膜，所述转基因细菌细胞选自电子转移细菌的组并呈现改变的产电功效。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 的范围。提供包含转基因细菌细胞的过滤装置，所述转基因细菌细胞选自电子转移细菌的组并呈现改变的产电功效。过滤装置可包含含有转基因细菌细胞的生物膜。该过滤装置可进一步包含指示器。过滤装置可为液体材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.02.23 US 12/660,224;2010.02.23 US 12/660,2001.一种用分离的核酸分子稳定转化的转基因铜绿假单胞菌细胞，所述分离的核酸分子使选自包含 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)的组的所关注内源核苷酸序列中断，其中所述微生物细胞呈现降低的所述所关注内源核苷酸序列表达并且所述细胞呈现改变的产电功效。2.根据权利要求I所述的转基因细胞，其中至少2个所关注内源核苷酸序列被中断并且其中所述中断的内源核苷酸序列选自包含以下的组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.根据权利要求2所述的转基因细胞，其中所述至少两个中断的内源核苷酸序列选自包含以下的所关注双核苷酸序列的组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.根据权利要求2所述的转基因细胞，其中至少三个所关注内源核苷酸序列被中断并且所述至少三个中断的内源核苷酸序列选自包含以下的所关注三核苷酸序列的组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.根据权利要求2所述的转基因细胞，其中至少四个所关注内源核苷酸序列被中断并且所述至少四个中断的内源核苷酸序列选自包含以下的所关注四核苷酸序列的组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.根据权利要求2所述的转基因细胞，其中至少五个所关注内源核苷酸序列被中断并且所述至少五个中断的内源核苷酸序列选自包含以下的所关注五核苷酸序列的组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.根据权利要求I所述的转基因细胞，其中所述细胞相比于非转基因细胞具有降低的增殖能力。8.根据权利要求I所述的转基因细胞，其中所述细胞相比于非转基因细胞具有降低的毒性。9.根据权利要求8所述的转基因细胞，其中所述降低的毒性是在哺乳动物或植物中。10.根据权利要求I所述的转基因细胞，其中所述细胞相比于非转基因细胞呈现降低的运动性。11.根据权利要求I所述的转基因细胞，其中所述细胞相比于非转基因细胞呈现改变的菌毛粘性。12.根据权利要求I所述的转基因细胞，其中所述细胞相比于非转基因细胞呈现改变的蹭行运动性。13.根据权利要求I所述的转基因细菌细胞，其中当所述细菌细胞是微生物燃料电池的组分时所述细胞呈现增加的电流输出/细菌细胞。14.根据权利要求I所述的转基因细胞，其中所述细胞呈现增加的向阳极的电子转移。15.根据权利要求14所述的转基因细胞，其中所述电子转移是直接或间接的。16.一种基质，包含根据权利要求I所述的转基因细胞。17.根据权利要求16所述的基质，其中所述基质选自包含以下的组海绵、过滤器、小珠、粉末、纸巾、盒、药筒和胶囊。18.—种生物膜，包含根据权利要求I所述的转基因细菌细胞，其中所述生物膜的厚度介于I μ m和300 μ m之间。19.一种过滤装置，包含根据权利要求I所述的转基因细菌细胞。20.一种包含生物膜的过滤装置，所述生物膜包含根据权利要求I所述的转基因细菌细胞。21.根据权利要求20所述的过滤装置，其中所述装置包含指示器。22.根据权利要求20所述的过滤装置，其中所述过滤装置选自包含以下的组液体材料过滤装置和气体材料过滤装置。23.根据权利要求22所述的气体材料过滤装置，其中所述转基因细菌细胞利用选自包含二氧化碳、NO2, NO3> SO2,甲烷、N2O和SO3的组的温室气体作为原料。24.一种微生物燃料电池，包含根据权利要求I所述的转基因细菌细胞、阳极室和阴极室。25.一种微生物燃料电池，包含含有根据权利要求I所述的转基因细胞的生物膜、阳极室和阴极室。26.根据权利要求25所述的微生物燃料电池，其中所述阳极室为可拆卸的。27.根据权利要求25所述的微生物燃料电池，其中所述生物膜附着到所述阳极。28.根据权利要求25所述的微生物燃料电池，其中所述生物膜暴露于选自包含污水、肥料径流、废水、动物废弃物、气体材料和温室气体的组的原料。29.根据权利要求25所述的微生物燃料电池，其中在所述生物膜周围保持厌氧条件。30.根据权利要求25所述的微生物染料电池，其中所述阳极室用生物膜抑制剂预处理。31.根据权利要求25所述的微生物燃料电池，还包含介体。32.一种用于检测预定化合物的传感器，包含根据权利要求25所述的微生物燃料电池和指示器，其中所述指示器指示所述化合物的异常水平。33.根据权利要求32所述的传感器，还包含用于检测第二预定化合物的第二转基因细菌细胞。34.根据权利要求25所述的微生物燃料电池，还包含超级电容器。35.根据权利要求25所述的微生物燃料电池，还包含水转移组件，其中所述水转移组件将由所述微生物燃料电池产生的水转移到集水装置或转移到外部环境。36.根据权利要求25所述的微生物燃料电池，还包含氢转移组件。37.根据权利要求36所述的微生物燃料电池，还包含氢燃料电池。38.一种生物修复系统，包含根据权利要求25所述的微生物燃料电池，其中所述转基因细菌细胞利用预定化合物作为原料并且所述细胞将所述预定化合物转化成第二化合物。39.一种微生物燃料电池，包含 至少一个阴极； 至少一个与所述至少一个阴极电连通的阳极，所述至少一个阳极包含导电材料； 包含多个细菌细胞的生物膜，所述生物膜可操作地偶联到所述至少一个阳极，其中所述生物膜有利于从所述生物膜转移多个电子至所述至少一个阳极...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·T·欧文，J·E·巴克鲁，D·J·哈西特，
申请(专利权)人：贝克蒂瑞罗博蒂克斯有限责任公司，辛辛那提大学，
类型：
国别省市：