课题基金 / 基金详情

黄粉虫幼虫肠道不可培养微生物中高效塑料降解新基因开发

批准号:
32070117
项目类别:
面上项目
资助金额:
50.0 万元
负责人:
李祥锴
依托单位:
学科分类:
微生物与环境互作
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李祥锴

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
研究发现黄粉虫幼虫肠道菌群可以高效分解聚(苯)乙烯塑料,已从中分离出数株塑料降解菌及其对应的降解酶。但这些菌株分解效率低,不能完全解释幼虫肠道的高效塑料降解机制。另一方面肠道菌群中约70%的微生物是不可培养的,宏基因组数据也表明肠道菌含有很多未知功能基因。因此幼虫肠道菌群不可培养微生物中极可能蕴含全新的高效塑料降解基因。本实验室研发出耦联宏转录组与比较宏基因组高效筛选不可培养微生物功能基因的技术,在前期研究中发现黄粉虫幼虫肠道菌群含有多个高效塑料降解的潜在基因。在本项目中,我们将以聚乙烯和聚苯乙烯喂养黄粉虫幼虫,建立塑料降解宏基因组文库和宏转录组学文库,并与喂养白菜叶的对照组进行比较,筛选差异表达的高效塑料降解潜在基因。进而通过异源高效表达技术验证新基因功能,并解析其蛋白质结构来阐述其作用机制。最后在塑料降解菌中高效表达新基因,评估其实际降解能力。为塑料生物降解提供新思路与新基因资源。
英文摘要
It is reported that the intestinal microflora of Tenebrio molitor larvae can degrade polystyrene and other plastics efficiently. Several strains and corresponding enzymes which can degrade plastics have been isolated from the larvae gut microbiome. However, the degradation efficiency is too low to fully explain the plastic degradation mechanism. On the other hand, about 70 % of microbes in gut are not culturable, and the meta-genomic data showed that there are many unknown functional genes in the gut microbiota. Therefore, the non-culturable microorganisms in the larva gut are likely to contain novel genes of high efficient plastics degradation. Our group has developed a technology to screen the functional genes of non-culturable microorganisms by combining meta-transcriptomics with metagenomics. We found that the gut microbiome of Tenebrio molitor larvae contains several potential genes of high-efficiency plastic degradation. In this project, we will feed Tenebrio molitor larvae with polyethylene and polystyrene to establish metagenomics library and meta-transcriptomics library for plastic degradation. They will be compared with the control group fed with cabbage leaves to screen for the differentially expressed genes that are involved in plastic degradation. Then these genes will be expressed in vitro to further clarify their functions. Their protein structures will be studied for plastics degradation mechanism. Finally, the novel genes will be expressed in plastic degradation bacteria to evaluate the actual degradation ability. This project will provided new insights and gene resources for plastic biodegradation field.
随着塑料制品的广泛使用,全球塑料的生产和消费持续攀升。然而,塑料废物的处置不当导致其在环境中的积累,并随着食物链传播对人类健康和海洋系统构成巨大的威胁。目前已有的塑料降解菌或酶主要分离塑料废物富集的生境,但其整体的降解效率偏低。大量的研究证实黄粉虫(Tenebrio molitor)、大蜡虫(Galleria mellonella)及大麦虫(Zophobas atratus)宿主及其肠道微生物具有塑料降解能力。昆虫的食性选择需要经历漫长的进化,大多数昆虫喜食木质纤维素丰富的植物,如黄粉虫以麦麸为食。昆虫肠道微生物对天然聚合物的降解是一种长期自然选择的机制,但其并未经历对塑料的驯化过程。因此,昆虫降解塑料的能力是否源于木质素降解能力?同时,昆虫肠道微生物是否蕴含丰富的塑料降解酶?为了阐明以上两个科学问题,本研究以黄粉虫幼虫为研究对象,分别饲喂玉米秸秆(CS)和聚苯乙烯(PS),微生物菌群分析发现黄粉虫幼虫肠道微生物对PS和CS具有相似的响应,发现菌株Serratia sp.、Staphylococcus sp.和Rhodococcus sp.均与PS和CS降解有关,并从幼虫肠道分离出5株PS和木质素共降解菌株。基于宏转录组学及代谢组学分析证实30个基因在PS和CS组共上调,并发现参与塑料和木质纤维素降解有关的潜在基因,如LMCOs、CYP6/4、AGMO、ADHs、CES1、Lip和ACSL。 同时,从宏转录组差异表达基因当中筛选出较高表达的基因Lac640,其编码漆酶样多铜氧化酶(LMCOs),这些结果表明表明黄粉虫幼虫对PS塑料的降解能力源于其木质纤维素降解机制。酶学分析结合表观形态观察发现Lac640具有同时降解PS和CS的能力。此外,从黄粉虫幼虫肠道微生物木质纤维素降解潜在酶中筛选出具有PET塑料降解功能的酶TmFae-PETase,该酶也可水解4-硝基苯酚丁酯酸(p-NP(C4))、阿魏酸甲酯(MFA)、咖啡酸甲酯(MCA)、PET塑料和木质纤维素,并对六种消费后的PET塑料(pc-PET)具有良好的降解能力。基于定点突变实验表明突变体L95W、P122W和P125A的PET降解能力比野生型TmFae-PETase有所提高,分子动力学模拟(MD)证实主要通过促进酶与底物的结合,并降低底物的结合能,从而有利于蛋白和底物PET的结合。
益生菌Limosilactobacillus fermentum GR-X对木质素和塑料的类似响应与降解机制
  • 批准号:
    32370110
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    李祥锴
  • 依托单位:
不可培养微生物中新铬还原酶基因的开发与应用
  • 批准号:
    31870082
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    李祥锴
  • 依托单位:
Pseudomonas fluorescens菌株LZ-4同时降解萘与还原六价铬的机理研究
  • 批准号:
    31470224
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    85.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    李祥锴
  • 依托单位:
抗辐射耐高温高效铀铬还原工程菌株的构建及其治理核废料前景的探索
  • 批准号:
    31200085
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    李祥锴
  • 依托单位:
国内基金
海外基金