鞭毛在Geobacter胞外电子传递过程中的作用与机制研究
发布时间：2020-05-25 07:34
【摘要】：地杆菌(Geobacter)是一类具有胞外呼吸能力的厌氧细菌,广泛分布于土壤和地下水沉积物中,它们可在胞内彻底氧化有机物,产生的电子经胞内呼吸链传递至胞外电子受体(如铁氧化物、腐殖质、固体电极、互营细菌等)使其还原,并产生能量维持自身生长。地杆菌独特的胞外电子传递能力,使其在元素生物地球化学循环、土壤修复、污染物降解、厌氧消化产甲烷等方面具有重要应用价值。Geobacter sulfurrducens作为地杆菌中的模式菌株,具有完整的全基因组序列信息和完备的基因操作手段,被广泛用于地杆菌代谢、基因调控和胞外电子传递等方面的研究。Gsu.urreducens胞外分布着丰富的细胞色素c、胞外多聚物、菌毛和鞭毛。早期研究表明,G.sulfurreducens的胞外细胞色素c、胞外多聚物、菌毛等均可介导胞外电子传递。然而,鞭毛在地杆菌胞外电子传递过程的作用还未见报道。本研究以Gsulfurreducens 为对象,通过基因操作方法,恢复菌株PCA鞭毛的表达和抑制菌株KN400鞭毛的表达,分别以水铁矿、石墨电极和互营细菌(Geobacter metallireducens)等作为胞外电子受体,探究鞭毛在Geobacter胞外电子传递中的作用。主要研究结论如下:(1)通过恢复G.sulfurreducen PCA菌株鞭毛表达,获得了菌株PCA-PRG5fgrM;通过抑制G.sulfurreducen KN400 菌株鞭毛表达,获得了菌株KNΔFilC;在缺失菌毛组装蛋白(PilB)基础上,获得了菌株 PCAΔPilB-PRG5fgrM 和 KNΔPilBΔFilC。(2)发现鞭毛可促进G.sulfurreducens还原胞外难溶性水铁矿。菌株PCA-PRG5FgrM对水铁矿的还原速率高于野生型菌株PCA,而菌株KNΔFilC对水铁矿的还原速率低于野生型菌株KN400,可见恢复鞭毛的表达可提高其还原水铁矿速率,而缺失鞭毛则使其水铁矿还原速率降低。说明鞭毛的游动性赋予了G.sulfurreducens 定位更多新鲜水铁矿的能力,进而提高其还原水铁矿的速率。(3)发现鞭毛可提高G.sulfurreducens 产电性能。通过生物膜厚度和总蛋白含量分析,发现鞭毛可提高2倍的生物膜厚度;在生物膜胞外细胞色素c含量与组成方面,缺失鞭毛使其胞外细胞色素c含量降低54.5%,但对其组成无影响;利用电化学手段表征生物膜,发现鞭毛可提高其将电子传递到电极的能力。结果表明,鞭毛可作为支架结构促进产电生物膜的形成,提高单位电极面积的产电生物量和胞外细胞色素c含量,从而提高其产电性能。(4)发现鞭毛不影响G.sulfurreducens KN400与G.metallireducens GS-15种间直接电子传递,但有利于共培养体系的形成。通过构建 KNΔFilC 与 GS-15、KN400 与 GS-15△FilC、KNΔFilC与GS-15ΔFilC等三组共培养体系,研究鞭毛种间直接电子传递中的作用,结果表明鞭毛在种间直接电子传递中无作用,但可促进共培养体系的形成。本研究通过构建G.sulfurreducens鞭毛表达与缺失的突变株,表明鞭毛可促进水铁矿还原、电极还原、互营细菌等胞外电子传递过程,不仅改变了鞭毛仅仅作为细菌运动性器官的传统认识,还为理解微生物胞外电子传递过程提供新的视角。
【图文】：
－素ｃ的酶催化，以直接接触的方式，将电子直接传递给胞外电子受体。逡逑（２邋）当细胞与胞外电子受体进行长距离电子传递时，通过微生物纳米导线，逡逑将电子传递到胞外电子受体。纳米导线是生长在细胞周围的且具有导电性能的聚逡逑合蛋白微丝，长达数十微米，直径约为一百纳米。其可在微生物之间或者微生物逡逑与胞外电子受体之间形成导电网络，实现长距离的电子传递。逡逑（３）通过微生物自身分泌的电子穿梭体，在细胞质或周质氧化底物释放电逡逑子，扩散到细胞外，将电子传递到胞外电子受体。随后电子穿梭体自身又变为氧逡逑化态，重新进入细胞接受电子。电子穿梭体以氧化态和还原态的交替变化，来实逡逑现胞外电子传递。相对于直接电子传递，该种机制传递效率较低，但可以作为辅逡逑助性方式参与种内或种间的远距离电子传递。逡逑（４）应电运动是在中发现的一种新型的胞外电子传递机制。靠逡逑近胞外受体的细胞将氧化底物产生电子存储于细胞表面，形成电容器，然后利用逡逑鞭毛运动快速撞击受体表面，释放电子并还原受体，瞬间接触后又迅速脱离受体，逡逑紧接着又参与下一个循环。这种应电运动机制与电子穿梭机制有明显的区别，应逡逑电运动无需通过介体，而是依赖细胞本身的运动传递电子。逡逑
．逦的胞外电子传递与Ｇ．邋？ｓｗ＾／ｉｗ＾／ｉ／ｃｅ／ｗ■相似，，也零要细胞色素ｃ参与。由于细胞色素ｃ在地杆菌间并不具有保守性，／／ｚ＞ｅ办ｃｅｍ代谢三价铁氧化物的细胞色素具有菌株特异性。利用转录作手段方法分析发现，在Ｇ．逦编码细胞色素ｅ０９３０、Ｇｍｅｔ＿０９０９、Ｇｍｅｔ—０５５８、Ｇｍｅｔ＿０５５７、Ｇｍｅｔ—２８９６、Ｇｅｍｔ＿１８ｌ邋８６７是还原三价铁氧化物所必需的［２５］。其中，Ｇｍｅｔ＿２８９６ｒａ＾ｗｃｅｎｓ的ＯｍｃＥ位于相同的蛋白家族，其功能ｂ＿｜能与ＯｍｃＳ更０９３０与Ｇ．似办／＊eW／？ｃｅｍ■的ＯｍｃＺ位于同一蛋白家族，Ｇｍｅｔ＿０５５０５８８分别与（７．邋■ｓｗ＾／ｉ＂Ｔ？／ｗｃｅ似的ＯｍｃＰ和ＯｍｃＯ为同源蛋白，但是ｃＯ并不是Ｇ．也ｃｍ？代谢三价铁氧化物所必需的。Ｇ．邋／？他／／／＞？／价铁氧化物的基因还包括Ｇｍｅｔ＿０５５６、Ｇｍｅｔ＿２０２９胞外多糖和，／ｃ２阳极代谢逡逑铁呼吸之后，电子传递到电极的产电呼吸方式成为了地杆菌胞外电研[偡较颉Ｓ肽讶苄缘娜厶趸锵嗨疲艏彩且恢植蝗苄缘奶坏氖牵械绲难艏梢晕榷ǖ慕邮艿缱樱一
本文编号：2679801
【图文】：
－素ｃ的酶催化，以直接接触的方式，将电子直接传递给胞外电子受体。逡逑（２邋）当细胞与胞外电子受体进行长距离电子传递时，通过微生物纳米导线，逡逑将电子传递到胞外电子受体。纳米导线是生长在细胞周围的且具有导电性能的聚逡逑合蛋白微丝，长达数十微米，直径约为一百纳米。其可在微生物之间或者微生物逡逑与胞外电子受体之间形成导电网络，实现长距离的电子传递。逡逑（３）通过微生物自身分泌的电子穿梭体，在细胞质或周质氧化底物释放电逡逑子，扩散到细胞外，将电子传递到胞外电子受体。随后电子穿梭体自身又变为氧逡逑化态，重新进入细胞接受电子。电子穿梭体以氧化态和还原态的交替变化，来实逡逑现胞外电子传递。相对于直接电子传递，该种机制传递效率较低，但可以作为辅逡逑助性方式参与种内或种间的远距离电子传递。逡逑（４）应电运动是在中发现的一种新型的胞外电子传递机制。靠逡逑近胞外受体的细胞将氧化底物产生电子存储于细胞表面，形成电容器，然后利用逡逑鞭毛运动快速撞击受体表面，释放电子并还原受体，瞬间接触后又迅速脱离受体，逡逑紧接着又参与下一个循环。这种应电运动机制与电子穿梭机制有明显的区别，应逡逑电运动无需通过介体，而是依赖细胞本身的运动传递电子。逡逑
．逦的胞外电子传递与Ｇ．邋？ｓｗ＾／ｉｗ＾／ｉ／ｃｅ／ｗ■相似，，也零要细胞色素ｃ参与。由于细胞色素ｃ在地杆菌间并不具有保守性，／／ｚ＞ｅ办ｃｅｍ代谢三价铁氧化物的细胞色素具有菌株特异性。利用转录作手段方法分析发现，在Ｇ．逦编码细胞色素ｅ０９３０、Ｇｍｅｔ＿０９０９、Ｇｍｅｔ—０５５８、Ｇｍｅｔ＿０５５７、Ｇｍｅｔ—２８９６、Ｇｅｍｔ＿１８ｌ邋８６７是还原三价铁氧化物所必需的［２５］。其中，Ｇｍｅｔ＿２８９６ｒａ＾ｗｃｅｎｓ的ＯｍｃＥ位于相同的蛋白家族，其功能ｂ＿｜能与ＯｍｃＳ更０９３０与Ｇ．似办／＊eW／？ｃｅｍ■的ＯｍｃＺ位于同一蛋白家族，Ｇｍｅｔ＿０５５０５８８分别与（７．邋■ｓｗ＾／ｉ＂Ｔ？／ｗｃｅ似的ＯｍｃＰ和ＯｍｃＯ为同源蛋白，但是ｃＯ并不是Ｇ．也ｃｍ？代谢三价铁氧化物所必需的。Ｇ．邋／？他／／／＞？／价铁氧化物的基因还包括Ｇｍｅｔ＿０５５６、Ｇｍｅｔ＿２０２９胞外多糖和，／ｃ２阳极代谢逡逑铁呼吸之后，电子传递到电极的产电呼吸方式成为了地杆菌胞外电研[偡较颉Ｓ肽讶苄缘娜厶趸锵嗨疲艏彩且恢植蝗苄缘奶坏氖牵械绲难艏梢晕榷ǖ慕邮艿缱樱一
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