Role and potential of the semi-classical/-quantum mechanism of the extracellular environment and cell envelope in Direct Interspecies Electron Transfer (DIET)-driven biomethanation

电子转移 生物物理学 纳米技术 化学 细胞外 电子传输链 生物膜 化学物理 细胞生物学 生物化学 生物 材料科学 细菌 遗传学 光化学
作者
А. С. Уали,Theo Y.C. Lam,Xun Huang,Zhuoying Wu,Hans Jack Shih,Giin-Yu Amy Tan,Po‐Heng Lee
出处
期刊:Critical Reviews in Environmental Science and Technology [Taylor & Francis]
卷期号:54 (7): 581-601 被引量:4
标识
DOI:10.1080/10643389.2023.2261813
摘要

The extracellular electron transfer (EET) capability of Methanosarcina spp. in direct interspecies electron transfer (DIET) has profoundly increased our understanding of microbial kinetics and energetics in biomethanation systems. In Methanosarcina spp., such EET mechanisms occur in the cell envelope and biofilm matrix. These substances are composed of protein-like, polysaccharide-rich biomolecular structures that were previously thought to contribute only to cell support and shape; while their participation in dynamic processes remains unclear and has gathered widespread interest. This review first addresses the molecular structure and chemical characteristics of the extracellular matrix and cell wall polymers in Methanosarcina spp. Next, we focus on recent theoretical studies on the conduction and EET mechanisms of the extracellular matrix and cell wall polymers: tunnelling, hopping, proton-activated electron transfer and voltage-dependent electron transport. We conclude this review by discussing the state-of-the-art electrochemical techniques and experiments and the associated challenges, i.e., the kinetic isotope effect and on–off resonance switching. The border impacts of such conductive pathways may offer a semi-classical/quantum perspective on microbiology and mark the renaissance of anaerobic biotechnology.
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