[發(fā)明專利]改進的微生物燃料電池

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080066383.2
• 申請日: 2010-11-04
• 公開（公告）號: CN102906246A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發(fā)明（設計）人: R·T·歐文;J·E·巴克魯;D·J·哈西特
• 申請（專利權）人: 貝克蒂瑞羅博蒂克斯有限責任公司;辛辛那提大學
• 主分類號: C12N1/21
• 分類號: C12N1/21;C12N15/78;C12N15/52;H01M8/16;C12R1/385
• 代理公司: 北京市鑄成律師事務所 11313
• 代理人: 郝文博

相關申請的交叉引用

本申請要求2010年2月23日提交的美國申請No.12/660,200和No.12/660,224的權益。上述申請的內容作為基礎并以引用方式全文并入。

發(fā)明領域

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。

發(fā)明背景

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℃至42℃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。

公式1????RH₂+NAD⁺→NADH⁺H⁺+R

NADH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，該另一物質可為氧或硫酸鹽。在微生物燃料電池中，該另一物質可為介體或陽極。介體將電子轉移到陽極。被阻止從陽極直接移動到陰極的電子，通過外部電路轉移到陰極并通過負載執(zhí)行有用工作。

發(fā)明概述

本申請?zhí)峁┯梅蛛x的核酸分子穩(wěn)定轉化的轉基因微生物細胞，其中該微生物細胞呈現(xiàn)改變的所關注核苷酸序列(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。相比于非轉基因細胞(通常稱為野生型)中所關注核苷酸序列的表達，轉基因(突變)細胞中所關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型啟動子和組成型啟動子的組。所述轉基因微生物細胞還可包含第二表達盒。在本發(fā)明的一些方面，第一表達盒可包含第二所關注異源核苷酸序列。

在一個實施方案中，分離的核酸分子使所關注內源核苷酸序列中斷。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注內源核苷酸序列。在一個方面，微生物細胞呈現(xiàn)降低的所關注內源核苷酸序列表達。