Every living cell needs to get rid of leftover electrons when metabolism extracts energy through the oxidation of nutrients. Common soil microbes such as Geobacter sulfurreducens live in harsh environments that do not afford the luxury of soluble, ingestible electron acceptors like oxygen. Instead of resorting to fermentation, which requires the export of reduced compounds (e.g. ethanol or lactate derived from pyruvate) from the cell, these organisms have evolved a means to anaerobically respire by using nanowires to export electrons to extracellular acceptors in a process called extracellular electron transfer (EET) [ 1]. Since 2005, these nanowires were thought to be pili filaments [ 2]. But recent studies have revealed that nanowires are composed of multiheme cytochromes OmcS [ 3, 4] and OmcZ [ 5] whereas pili remain inside the cell during EET and are required for the secretion of nanowires [ 6]. However, how electrons are passed to these nanowires remains a mystery ( Figure 1A). Periplasmic cytochromes (Ppc) called PpcA-E could be doing the job, but only two of them (PpcA and PpcD) can couple electron/proton transfer — a necessary condition for energy generation. In a recent study, Salgueiro and co-workers selectively replaced an aromatic with an aliphatic residue to couple electron/proton transfer in PpcB and PpcE (Biochem. J. 2021, 478 (14): 2871–2887). This significant in vitro success of their protein engineering strategy may enable the optimization of bioenergetic machinery for bioenergy, biofuels, and bioelectronics applications.

中文翻译：

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使质子与电子一起标记

当新陈代谢通过营养物的氧化提取能量时，每个活细胞都需要摆脱剩余的电子。硫还原地杆菌等常见土壤微生物生活在恶劣的环境中，无法承受像氧气这样的可溶性、可摄取电子受体的奢侈。与需要从细胞中输出还原化合物（例如乙醇或源自丙酮酸的乳酸）的发酵不同，这些生物体已经进化出一种通过使用纳米线在称为细胞外电子的过程中将电子输出到细胞外受体的无氧呼吸方式。转移（EET）[1]。自 2005 年以来，这些纳米线被认为是菌丝 [2]。但最近的研究表明，纳米线是由多血红素细胞色素 OmcS 组成的 [3，4] 和 OmcZ [ 5] 而菌毛在 EET 期间保留在细胞内，是分泌纳米线所必需的 [6]。然而，电子如何传递到这些纳米线仍然是个谜（图 1A）。称为 PpcA-E 的周质细胞色素 (Ppc) 可以完成这项工作，但其中只有两种（PpcA 和 PpcD）可以耦合电子/质子转移——这是产生能量的必要条件。在最近的一项研究中，Salgueiro 及其同事选择性地用脂肪族残基替换了芳香族残基，以耦合 PpcB 和 PpcE 中的电子/质子转移（Biochem. J. 2021, 478 (14): 2871–2887）。他们的蛋白质工程策略在体外取得的重大成功可能有助于优化生物能源、生物燃料和生物电子学应用的生物能量机制。电子如何传递到这些纳米线仍然是个谜（图 1A）。称为 PpcA-E 的周质细胞色素 (Ppc) 可以完成这项工作，但其中只有两种（PpcA 和 PpcD）可以耦合电子/质子转移——这是产生能量的必要条件。在最近的一项研究中，Salgueiro 及其同事选择性地用脂肪族残基替换了芳香族残基，以耦合 PpcB 和 PpcE 中的电子/质子转移（Biochem. J. 2021, 478 (14): 2871–2887）。他们的蛋白质工程策略在体外取得的重大成功可能有助于优化生物能源、生物燃料和生物电子学应用的生物能量机制。电子如何传递到这些纳米线仍然是个谜（图 1A）。称为 PpcA-E 的周质细胞色素 (Ppc) 可以完成这项工作，但其中只有两种（PpcA 和 PpcD）可以耦合电子/质子转移——这是产生能量的必要条件。在最近的一项研究中，Salgueiro 及其同事选择性地用脂肪族残基替换了芳香族残基，以耦合 PpcB 和 PpcE 中的电子/质子转移（Biochem. J. 2021, 478 (14): 2871–2887）。他们的蛋白质工程策略在体外取得的重大成功可能有助于优化生物能源、生物燃料和生物电子学应用的生物能量机制。但其中只有两个（PpcA 和 PpcD）可以耦合电子/质子转移——这是产生能量的必要条件。在最近的一项研究中，Salgueiro 及其同事选择性地用脂肪族残基替换了芳香族残基，以耦合 PpcB 和 PpcE 中的电子/质子转移（Biochem. J. 2021, 478 (14): 2871–2887）。他们的蛋白质工程策略在体外取得的重大成功可能有助于优化生物能源、生物燃料和生物电子学应用的生物能量机制。但其中只有两个（PpcA 和 PpcD）可以耦合电子/质子转移——这是产生能量的必要条件。在最近的一项研究中，Salgueiro 及其同事选择性地用脂肪族残基替换了芳香族残基，以耦合 PpcB 和 PpcE 中的电子/质子转移（Biochem. J. 2021, 478 (14): 2871–2887）。他们的蛋白质工程策略在体外取得的重大成功可能有助于优化生物能源、生物燃料和生物电子学应用的生物能量机制。