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祝贺!景杰生物助力客户发文Environment International ,揭示细菌铬胁迫抗性机制

发布时间: 2019-04-19
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祝贺!景杰生物助力客户发文Environment International ,揭示细菌铬胁迫抗性机制

景杰学术/解读


铬是一种重要的重金属,已广泛应用于工业,如电镀,木材防腐,钢铁合金生产,皮革鞣制和色素沉淀等。六价铬Cr(VI)为吞入性毒物/吸入性极毒物,易被人体吸收,可通过消化、呼吸道、皮肤及粘膜侵入人体,长期或短期接触或吸入时有致癌危险,对环境有持久危险性。


目前,处理Cr(VI)污染的最有效方法是将Cr(VI)转化为毒性低得多的三价铬[Cr(III)],除各种化学或生物学方法外,通过微生物进行生物修复是一种备受期待的污染处理策略。Shewanella oneidensis MR-1,是一种异化金属还原菌。它能够在有氧或厌氧条件下将Cr(VI)还原为Cr(III)。


湖南大学环境科学与工程学院杨朝晖课题组与中国科学院城市环境研究所肖勇课题组等,运用TMT标记方法结合高通量质谱的方法,通过比较未暴露与长期暴露于Cr(VI)的S. oneidensis MR-1,研究揭示了该微生物在长期Cr(VI)胁迫下的还原作用和抗性机制,有助于我们通过长期适应环境进行有效的生物修复和环境风险评估。研究成果近日发表在Environment International (IF=7.297)杂志上。景杰生物为该研究的蛋白质组学定量检测与分析提供了技术支持。


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研究速读


1. 样本策略与微生物的培养


本研究使用的菌株是S. oneidensis MR-1,一组不加入Cr(VI),另一组则加入Cr(VI),在LB肉汤培养基中培养120天,分别命名为D120N和D120Cr。培养结束之后,D120Cr组分为两部分,其中一部分加入Cr(VI),命名为D120Cr(+),另一部分命名为D120Cr(-)。


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Figure1 Soneidensis MR-1的培养


2. 差异蛋白鉴定和比较


本研究通过蛋白质组学分析鉴定到2723个蛋白,其中定量2500个蛋白。与D120N相比,在D120Cr(-)中有239个差异表达蛋白,包括63个上调蛋白,如MSHA主要菌毛蛋白亚基MshA,以及176个下调蛋白,如细胞外氧化铁呼吸系统外膜组分MtrB;从D120Cr(+)中鉴定出509个差异表达蛋白,包括315个上调蛋白,如FMN结合血红素铁利用蛋白HmuZ和ABC型血红素摄取系统的底物结合成分HmuB,以及194个下调蛋白,如细胞外铁氧化物呼吸系统外膜组件MtrB。与D120Cr(-)相比,D120Cr(+)有447个差异表达蛋白:397个上调的表达蛋白质和50个下调的表达蛋白质。


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Figure2 差异表达的蛋白质的数量,共同和独特的上调或下调表达的蛋白质


3. 差异定量蛋白的功能富集与聚类


为了研究上调和下调蛋白质的功能差异,分别对GO,蛋白质KEGG途径和结构域富集以及基于富集的聚类分析定量蛋白质。对于D120Cr(-)与D120N,63种上调的蛋白质主要富含氧化还原酶活性,双加氧酶活性和有机酸分解代谢过程;176种下调的蛋白质主要与硫酸盐同化和物质运输息息有关。对于D120Cr(+)与D120N,上调的蛋白质主要参与结构分子活性和细胞运动;下调的蛋白质主要在氧化还原过程,硫酸盐同化和物质运输中显着富集。对于D120Cr(+)与D120Cr(-),上调的蛋白质主要与结构分子活性,铁离子结合,肽代谢过程,蛋白质翻译和细胞运动性;下调蛋白主要富集运输,有机酸运输和金属离子稳态。


KEGG富集结果显示,对于D120Cr(-)与D120N,上调的表达蛋白显着富集β-内酰胺抗性,阳离子抗菌肽抗性,苯丙氨酸代谢和酪氨酸代谢;下调的表达蛋白主要富含硫代谢和ABC转运蛋白。对于D120Cr(+)与D120N,上调的DEPs富含鞭毛组装,阳离子抗菌肽抗性和核糖体;下调的DEP主要富含硫代谢,ABC转运蛋白,丙酮酸代谢和磷酸戊糖途径。对于D120Cr(+)与D120Cr(-),上调的DEPs在核糖体和鞭毛组装体中显着富集;下调的表达蛋白主要富含酪氨酸代谢和氧化磷酸化。


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Figure3 差异表达蛋白聚类分析


4. 微生物的铬酸盐抗性和还原机制


研究者总结了细菌细胞中Cr(VI)还原和抗性所涉及的蛋白途径,揭示了其铬酸盐抗性和还原机制。Cr(VI)还原通过细胞内和细胞外还原进行,主要涉及摄取和外排过程,抗氧化系统以及修复系统。


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Figure4 微生物的铬酸盐抗性和还原机制


综上所述,本文通过高通量质谱和严谨的生物信息学分析方法揭示了长期暴露于六价铬的S. oneidensis MR-1抵抗和还原机制。环境污染已成为当今社会所面临的的公共问题,严重威胁着人类健康。本文为通过长期适应环境进行有效的生物修复和环境风险评估提供了实验依据。


参考文献

Gang H, et al., (2019), Proteomic analysis of the reduction and resistance mechanisms of Shewanella oneidensis MR-1 under long-term hexavalent chromium stress. Environment International.


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