嗜砷性砷氧化细菌砷替代磷的分子机制

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
31170106
项目类别：
面上项目
资助金额：
58.0万
负责人：
王革娇
依托单位：
华中农业大学
学科分类：
C0106.微生物与环境互作
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
袁继红；刘光辉；王倩；李向阳；刘红亮；李月；黄银燕；李洁；
关键词：
分子机制砷氧化菌嗜砷菌产能砷替代磷

项目摘要

近期报道的细菌利用砷替代磷而维持生命的砷基生物的发现对于生命组成、起源进化和生物化学等领域意义巨大。虽然砷是否替代了DNA中的磷还有待进一步证实，但微生物能利用砷来生长、且砷可以参入一些蛋白、糖类和脂类中已有初步的生化证据，其分子机制和代谢途径还亟待深入探索。本课题组在多年研究砷代谢细菌的过程中，也发现了几株砷氧化菌确实可以在含砷不加磷的培养基上生长。本项目以我们在地下水沉积物中分离的嗜砷性砷氧化菌Agrobacterium sp. GW4为主进行研究，利用微生物学、生物化学、化学分析等手段，分析阐明该菌利用氧化As(III)产能而进一步利用氧化产物As(V)替代磷的机理和相关代谢途径，并同时对已有的100株高抗砷菌的砷替代磷的微生物多样性和环境相关性进行研究。其结果将预计提出新型的与砷氧化相偶联的砷替代磷代谢的机制并充实或改良细菌利用代谢砷而维持生命的机理和代表种群。具有重要的理论价值。

结项摘要

砷氧化菌利用砷氧化酶AioAB将毒性强的亚砷酸盐[As(III)]氧化为毒性较弱的砷酸盐[As(V)]。本项目利用分子生物学、微生物学、生物化学、化学分析等手段，分析了嗜砷性砷氧化根癌农杆菌GW4利用氧化As(III)产能而进一步利用氧化产物As(V)替代磷的机理和相关代谢途径。研究发现，1)该菌的砷氧化可促进ATP/NADH的产生并促进细菌的生长。在缺磷条件下加As(III)促长，砷氧化酶基因aioA的缺失和互补实验证明砷氧化与ATP/NADH的产生、促长作用及砷对磷的替代相偶联。砷氧化产物As(V)由磷酸盐结合蛋白PstS结合转运进入细胞内，As(V)在蛋白和脂类分子中发现，在DNA, RNA和糖类中没有发现。可能形成了砷脂和砷蛋白。质谱分析表明砷脂很可能形成了砷脂双分子层以构建细胞膜（Wang et al., Environ Microbiol, 2015）。2）通过比较基因组学分析，发现了与砷磷代谢密切相关的砷基因岛和可能的砷氧化调控机制(Li et al., Frontier in Microbiology, 2013)。3）通过转座子突变、基因敲除与互补、报告基因融合和体内体外互作等技术证明了磷酸双组份调控系统PhoBR对细菌砷氧化的调控作用(Chen et al.，Frontier in Microbiology, 2015)。4）研究还发现GW4菌中的砷氧化酶AioAB也可以氧化锑，但其效率没有氧化砷的强(Wang et al., Appl Environ Microbiol,2015) 5）在此基础上，我们利用蛋白质组、转录组、基因敲除与互补和酶学等方法，发现了一个新型的锑氧化酶（Li et al., Environ Sci Technol, 2015）。以上结果表明细菌为适应环境存在砷替代磷的能力和调控的相关性，这些成果对其分子机制的认识和应用均具有重要意义。