【摘要】：地桿菌(Geobacter)是一類具有胞外呼吸能力的厭氧細菌,廣泛分布于土壤和地下水沉積物中,它們可在胞內徹底氧化有機物,產生的電子經胞內呼吸鏈傳遞至胞外電子受體(如鐵氧化物、腐殖質、固體電極、互營細菌等)使其還原,并產生能量維持自身生長。地桿菌獨特的胞外電子傳遞能力,使其在元素生物地球化學循環(huán)、土壤修復、污染物降解、厭氧消化產甲烷等方面具有重要應用價值。Geobacter sulfurrducens作為地桿菌中的模式菌株,具有完整的全基因組序列信息和完備的基因操作手段,被廣泛用于地桿菌代謝、基因調控和胞外電子傳遞等方面的研究。Gsu.urreducens胞外分布著豐富的細胞色素c、胞外多聚物、菌毛和鞭毛。早期研究表明,G.sulfurreducens的胞外細胞色素c、胞外多聚物、菌毛等均可介導胞外電子傳遞。然而,鞭毛在地桿菌胞外電子傳遞過程的作用還未見報道。本研究以Gsulfurreducens 為對象,通過基因操作方法,恢復菌株PCA鞭毛的表達和抑制菌株KN400鞭毛的表達,分別以水鐵礦、石墨電極和互營細菌(Geobacter metallireducens)等作為胞外電子受體,探究鞭毛在Geobacter胞外電子傳遞中的作用。主要研究結論如下:(1)通過恢復G.sulfurreducen PCA菌株鞭毛表達,獲得了菌株PCA-PRG5fgrM;通過抑制G.sulfurreducen KN400 菌株鞭毛表達,獲得了菌株KNΔFilC;在缺失菌毛組裝蛋白(PilB)基礎上,獲得了菌株 PCAΔPilB-PRG5fgrM 和 KNΔPilBΔFilC。(2)發(fā)現鞭毛可促進G.sulfurreducens還原胞外難溶性水鐵礦。菌株PCA-PRG5FgrM對水鐵礦的還原速率高于野生型菌株PCA,而菌株KNΔFilC對水鐵礦的還原速率低于野生型菌株KN400,可見恢復鞭毛的表達可提高其還原水鐵礦速率,而缺失鞭毛則使其水鐵礦還原速率降低。說明鞭毛的游動性賦予了G.sulfurreducens 定位更多新鮮水鐵礦的能力,進而提高其還原水鐵礦的速率。(3)發(fā)現鞭毛可提高G.sulfurreducens 產電性能。通過生物膜厚度和總蛋白含量分析,發(fā)現鞭毛可提高2倍的生物膜厚度;在生物膜胞外細胞色素c含量與組成方面,缺失鞭毛使其胞外細胞色素c含量降低54.5%,但對其組成無影響;利用電化學手段表征生物膜,發(fā)現鞭毛可提高其將電子傳遞到電極的能力。結果表明,鞭毛可作為支架結構促進產電生物膜的形成,提高單位電極面積的產電生物量和胞外細胞色素c含量,從而提高其產電性能。(4)發(fā)現鞭毛不影響G.sulfurreducens KN400與G.metallireducens GS-15種間直接電子傳遞,但有利于共培養(yǎng)體系的形成。通過構建 KNΔFilC 與 GS-15、KN400 與 GS-15△FilC、KNΔFilC與GS-15ΔFilC等三組共培養(yǎng)體系,研究鞭毛種間直接電子傳遞中的作用,結果表明鞭毛在種間直接電子傳遞中無作用,但可促進共培養(yǎng)體系的形成。本研究通過構建G.sulfurreducens鞭毛表達與缺失的突變株,表明鞭毛可促進水鐵礦還原、電極還原、互營細菌等胞外電子傳遞過程,不僅改變了鞭毛僅僅作為細菌運動性器官的傳統(tǒng)認識,還為理解微生物胞外電子傳遞過程提供新的視角。
【圖文】：

－素ｃ的酶催化，以直接接觸的方式，將電子直接傳遞給胞外電子受體。逡逑（２邋）當細胞與胞外電子受體進行長距離電子傳遞時，通過微生物納米導線，逡逑將電子傳遞到胞外電子受體。納米導線是生長在細胞周圍的且具有導電性能的聚逡逑合蛋白微絲，長達數十微米，直徑約為一百納米。其可在微生物之間或者微生物逡逑與胞外電子受體之間形成導電網絡，實現長距離的電子傳遞。逡逑（３）通過微生物自身分泌的電子穿梭體，在細胞質或周質氧化底物釋放電逡逑子，擴散到細胞外，將電子傳遞到胞外電子受體。隨后電子穿梭體自身又變?yōu)檠蹂义匣瘧B(tài)，重新進入細胞接受電子。電子穿梭體以氧化態(tài)和還原態(tài)的交替變化，來實逡逑現胞外電子傳遞。相對于直接電子傳遞，該種機制傳遞效率較低，但可以作為輔逡逑助性方式參與種內或種間的遠距離電子傳遞。逡逑（４）應電運動是在中發(fā)現的一種新型的胞外電子傳遞機制。靠逡逑近胞外受體的細胞將氧化底物產生電子存儲于細胞表面，形成電容器，然后利用逡逑鞭毛運動快速撞擊受體表面，釋放電子并還原受體，瞬間接觸后又迅速脫離受體，逡逑緊接著又參與下一個循環(huán)。這種應電運動機制與電子穿梭機制有明顯的區(qū)別，應逡逑電運動無需通過介體，而是依賴細胞本身的運動傳遞電子。逡逑

．邐的胞外電子傳遞與Ｇ．邋？ｓｗ＾／ｉｗ＾／ｉ／ｃｅ／ｗ■相似，，也零要細胞色素ｃ參與。由于細胞色素ｃ在地桿菌間并不具有保守性，／／ｚ＞ｅ辦ｃｅｍ代謝三價鐵氧化物的細胞色素具有菌株特異性。利用轉錄作手段方法分析發(fā)現，在Ｇ．邐編碼細胞色素ｅ０９３０、Ｇｍｅｔ＿０９０９、Ｇｍｅｔ—０５５８、Ｇｍｅｔ＿０５５７、Ｇｍｅｔ—２８９６、Ｇｅｍｔ＿１８ｌ邋８６７是還原三價鐵氧化物所必需的［２５］。其中，Ｇｍｅｔ＿２８９６ｒａ＾ｗｃｅｎｓ的ＯｍｃＥ位于相同的蛋白家族，其功能ｂ＿｜能與ＯｍｃＳ更０９３０與Ｇ．似辦／＊eW／？ｃｅｍ■的ＯｍｃＺ位于同一蛋白家族，Ｇｍｅｔ＿０５５０５８８分別與（７．邋■ｓｗ＾／ｉ＂Ｔ？／ｗｃｅ似的ＯｍｃＰ和ＯｍｃＯ為同源蛋白，但是ｃＯ并不是Ｇ．也ｃｍ？代謝三價鐵氧化物所必需的。Ｇ．邋／？他／／／＞？／價鐵氧化物的基因還包括Ｇｍｅｔ＿０５５６、Ｇｍｅｔ＿２０２９胞外多糖和，／ｃ２陽極代謝逡逑鐵呼吸之后，電子傳遞到電極的產電呼吸方式成為了地桿菌胞外電研[偡較頡Ｓ肽訝芐緣娜厶躉鏘嗨�，阳极也是一种不绕S緣奶壞氖牽械緄難艏梢暈榷ǖ慕郵艿繾櫻一

本文編號：2679801