2024-06-03
廣(guang)東省生(sheng)態環境技(ji)術研究所在國際著名(ming)雜志《Environmental Science & Technology》發表(biao)了電子(zi)穿(chuan)梭體介(jie)導的微(wei)生(sheng)物胞(bao)外(wai)電子(zi)傳(chuan)遞機(ji)制進行(xing)研究，揭示了脂溶性電子(zi)穿(chuan)梭體可直接滲入細(xi)胞(bao)膜與周質蛋白反應完(wan)成胞(bao)外(wai)電子(zi)傳(chuan)遞的新機(ji)制。本研究的RNA-seq測序以(yi)及部分分析工作由上海(hai)派森諾生(sheng)物科技(ji)股份有限公司完(wan)成。 一(yi)、技術路線 二、研(yan)究(jiu)背景(jing) 電(dian)子穿梭(suo)體可(ke)顯著(zhu)加速(su)胞外電(dian)子傳遞，但此前人們(men)對于電(dian)子穿梭(suo)途(tu)(tu)徑的(de)認(ren)識并不(bu)全面，這(zhe)項研究中，作者發現(xian)了一種新(xin)的(de)電(dian)子穿梭(suo)途(tu)(tu)徑，即親脂性(xing)電(dian)子介體-刃天(tian)青(qing)（resazurin）介導的(de)EET過程。 三、研(yan)究材料與方(fang)法 1.實驗材(cai)料 對照組：不加刃(ren)天青(qing)的希瓦氏菌 處理組(zu)：加(jia)入(ru)刃天青的希瓦(wa)氏(shi)菌(jun) 2.測序(xu)平(ping)臺 Illumina novaseq6000 3.分析方法 RNA-Seq、BES、SEM、In-situ FTIRs等 四、研究結果 1.驗(yan)證刃天青可(ke)在細菌中穿過磷(lin)脂(zhi)雙層膜 在(zai)刃(ren)天青(qing)(qing)的(de)作用下，編碼(ma)外膜細胞色素(su)的(de)基因被下調。雖然細胞色素(su)缺失(shi)顯(xian)著降低了(le)生(sheng)物電(dian)流的(de)產生(sheng)量，僅(jin)為野生(sheng)型的(de)1-12%，但(dan)是在(zai)刃(ren)天青(qing)(qing)的(de)處理下突(tu)變體菌(jun)株(zhu)（ΔmtrA/omCA/mtrC）的(de)生(sheng)物電(dian)流產生(sheng)量恢復到168 μA·cm-2，幾(ji)乎相當于WT（194 μA·cm-2）的(de)水平，這表明刃(ren)天青(qing)(qing)介導的(de)電(dian)子(zi)轉(zhuan)移(yi)不依(yi)賴于Mtr途徑。 圖1. 脂(zhi)溶性電子(zi)穿梭體(ti)可直接滲入細(xi)胞(bao)膜(mo) 2.WT MR-1菌(jun)株轉錄(lu)組測序分析 為了(le)進(jin)(jin)一步闡明電子轉移基因是如何與刃天青(qing)相互(hu)作用的，進(jin)(jin)行了(le)轉錄(lu)組測序分(fen)析(xi)，轉錄(lu)結果(guo)表明，在(zai)含有刃天青(qing)的處理(li)中(zhong)，共(gong)篩選了(le)362個差異基因，其(qi)中(zhong)mtrCAB和omCA等外(wai)膜細胞(bao)色素(su)C的表達量全部顯著下調(diao)，意味著微生物(wu)對外(wai)膜Mtr蛋白(bai)的依賴降低；而如果(guo)將外(wai)膜細胞(bao)色素(su)C敲除，突(tu)變株ΔmtrA/omCA/mtrC在(zai)刃天青(qing)的介導(dao)下仍然(ran)能產生與野生型強度(du)相似的電流，進(jin)(jin)一步證明了(le)刃天青(qing)可替代(dai)外(wai)膜細胞(bao)色素(su)C的作用。 圖2 轉(zhuan)錄組分析火山(shan)圖 圖(tu)3 GO富(fu)集分(fen)析氣(qi)泡(pao)圖(tu) 圖4 刃天青介導的(de)生(sheng)物膜形成相關的(de)差異表達基因 3.驗證無膜(mo)外細胞色素的高效(xiao)EET Mtr通路被認為是S.oneidensis MR-1中EET的重(zhong)要組成部分，然而在細胞色(se)素缺失(shi)突變體的MR-1中，最大(da)電(dian)流約是WT細胞的一半，此外刃(ren)天(tian)青可以(yi)完全恢復MR-1的EET能力，即使在關(guan)鍵的電(dian)子轉移基因缺失(shi)后也是如此。實驗結果(guo)表(biao)明，無論關(guan)鍵的外膜電(dian)子轉移基因(MTRA、OMCA和mtrC)是否(fou)被敲除，刃(ren)天(tian)青都能顯(xian)著(zhu)促進(jin)MR-1的細胞生長(chang). 圖5 有無50μM刃天青的生物電化學檢(jian)測 4.驗證刃天(tian)青與(yu)胞外/膜(mo)內細胞色素(su)的相(xiang)互作用 刃(ren)天(tian)(tian)(tian)青(qing)(qing)恢(hui)復了外膜(mo)細胞(bao)色素缺失突(tu)變(bian)體的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子傳(chuan)遞能(neng)力，但CymA基因的(de)(de)缺失幾乎完全抑制了細胞(bao)的(de)(de)生(sheng)長，為了進一(yi)步了解刃(ren)天(tian)(tian)(tian)青(qing)(qing)是否通過與CymA直接(jie)接(jie)觸而介(jie)導電(dian)(dian)(dian)(dian)子傳(chuan)遞，進而研究了突(tu)變(bian)體ΔmtrA/omcA/mtrC/fccA/cctA的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流產生(sheng)和生(sheng)物膜(mo)生(sheng)長。結果(guo)表明(ming)，在(zai)沒有FccA和 CctA的(de)(de)情(qing)況下(xia)，CymA可以直接(jie)將電(dian)(dian)(dian)(dian)子轉(zhuan)移到刃(ren)天(tian)(tian)(tian)青(qing)(qing)，但直接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)子轉(zhuan)移速(su)率很低，并且支(zhi)持非(fei)常緩慢(man)的(de)(de)細胞(bao)生(sheng)長。根據基因敲除結果(guo)，刃(ren)天(tian)(tian)(tian)青(qing)(qing)的(de)(de)存在(zai)導致厭氧呼吸基因的(de)(de)下(xia)調，但電(dian)(dian)(dian)(dian)子傳(chuan)遞保持不變(bian)，而cym, fccA和cctA這(zhe)三(san)個基因在(zai)刃(ren)天(tian)(tian)(tian)青(qing)(qing)介(jie)導的(de)(de)EET中起著關(guan)鍵作用。 圖6 突(tu)變株電(dian)流密度、掃描電(dian)鏡圖像(xiang)和生物膜總蛋白質含量 圖(tu)7 S. oneidensis生物膜的電化學特性 五、小 結 本(ben)研(yan)究證實了低分(fen)子(zi)(zi)量(liang)、親脂性強的(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)受體，具有(you)(you)與周質蛋白(bai)和(he)細胞內(nei)膜(mo)蛋白(bai)直接反(fan)應(ying)介導胞外(wai)(wai)電(dian)子(zi)(zi)傳(chuan)遞的(de)(de)能(neng)力(li)。由于自(zi)然(ran)界中大(da)多數(shu)微生物不具有(you)(you)外(wai)(wai)膜(mo)細胞色素C，滲入型電(dian)子(zi)(zi)穿梭(suo)的(de)(de)方式可能(neng)具有(you)(you)廣泛性，本(ben)實驗為(wei)了解自(zi)然(ran)界電(dian)子(zi)(zi)穿梭(suo)體的(de)(de)作用方式以及穿梭(suo)體的(de)(de)工程(cheng)化應(ying)用提供理論(lun)基(ji)礎。
原文鏈接：//pubs.aCs.org/doi/abs/10.1021/aCs.est.2C07862
