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项目文章 | 大连理工大学对细菌降解氧化石墨烯机理研究
氧化石墨烯(GO)是一种新型的纳米材料,具有独特的物理化学性质和多种用途,但会对人类和环境构成潜在风险。本文为鹿明生物合作客户大连理工大学曲媛媛博士团队在Water Research环境科学与生态学一区杂志(IF=7.913)发表题为“A novel environmental fate of graphene oxide: Biodegradation by a bacterium Labrys sp. WJW to support growth”的研究论文,该研究结合基因组蛋白质组学分析探索与GO降解相关的蛋白质,共鉴定到644种蛋白差异表达。生物信息学分析表明,部分上调的蛋白质与氧化、环裂解和中间体跨膜过程有关,GO可能被降解为苯甲酸酯,并在下游过程进一步降解。这项研究为GO的环境命运提供了新的见解。

 

 

 

 

中文标题:氧化石墨烯的一种新型环境命运:通过细菌Labrys sp. WJW的生物降解支持生长

研究对象:细菌

发表期刊:Water Research

影响因子:7.913

合作单位:大连理工大学

应用欧易/鹿明生物技术:16S rRNA基因测序、iTRAQ蛋白质组定量分析(由鹿明生物提供技术支持

 

研究亮点

 

•1.细菌降解氧化石墨烯的研究;

•2.Labrys sp.WJW可以使用氧化石墨烯作为唯一的碳源进行生长;

•3.探索了与氧化石墨烯降解相关的蛋白质;

•4.氧化石墨烯降解为苯甲酸盐,并在下游过程中进一步降解;

 

研究背景

 

石墨烯是石墨的单原子平面,由于其独特的物理化学性质,被认为是科学界的革命性材料。近年来,GO对人类健康和环境的潜在风险已引起广泛关注。体外实验中观察到GO的细胞凋亡,形态变化和氧化应激。体内实验表明GO具有肺毒性,氧化应激和血栓毒性。碳基纳米材料的生物降解是一种可行而有效的方法。然而当GO进入环境后,可以推测是微生物起到主要的转换作用,但尚无微生物降解GO的报道。

 

研究路线

 

 

研究结果

 

1. 分离鉴定降解GO的菌株WJW及菌株相关特性

 

从暴露于GO的天然土壤中获得了一种名为WJW的细菌菌株,该菌株可以利用GO作为唯一碳源进行生长。WJW菌株的16S rRNA基因序列与几种Labrys菌株具有高度相似性,因此鉴定为Labrys sp.WJW。生存曲线表明菌株WJW可以使用GO作为唯一碳源生长,并在接种后约8-10天达到固定相。AFM和TEM实验均表明WJW菌株孵育过程中在GO的基面上产生了孔。

 

 

图1 | WJW菌株孵育后的氧化石墨烯的TEM显微照片

 

2.鉴定GO降解中的中间体

 

为了深入研究GO生物降解的代谢机理,使用GC-MS和LC-TOF-MS技术鉴定中间体,鉴定到几种中间体是具有苯甲酸和苯酚结构的芳香族化合物。GO的基面上存在可见的孔以及溶液中的中间体表明,片段和分子首先从GO上剥落下来,然后进一步降解,检测到的多种中间体说明了细菌降解过程的复杂性。

 

 

图2 | 鉴定GO降解中的中间体

 

(a)孵育20天后GO的三维AFM图像;

(b)从AFM显微照片测得的第20天孔之间的距离(D)孔直径(d)的直方图;

(c)与菌株WJW一起孵育0、8和20天后GO的ID / IG对比;

(d)第0天和第20天GO的XPS光谱(C1s);

 

3.基因测序及蛋白质组学分析

 

基因测序注释了127个基因用于基因组中芳香族化合物的代谢,注释了227个CDS(candidate protein-coding sequences)用于膜运输,部分解释了其对GO的降解能力。通过比较处理组(GO和甘油作为碳源)与对照组(甘油作为碳源)进行蛋白质组分析,鉴定到124种上调蛋白,部分上调的蛋白质与氧化、环裂解和中间体跨膜有关。

 

 

图3 | 基因测序及蛋白质组学分析

 

(a)Labrys sp. WJW的基因组分析;

(b)上调蛋白质的Gene Ontology分析;

 

实验结论

 

本文通过对暴露于GO的天然土壤筛选后,成功获得了一种新型细菌Labrys sp.WJW,它能够将GO当做唯一的碳源进行生长。结合基因组蛋白质组学分析探索与GO降解相关的蛋白质,共鉴定到644种蛋白差异表达。生物信息学分析表明,部分上调的蛋白质与氧化、环裂解和中间体跨膜过程有关,GO可能被降解为苯甲酸酯,并在下游过程进一步降解。这项研究为GO的环境命运提供了新的见解。

 

小鹿推荐

 

该研究从土壤样品中筛选出一种以GO作为唯一碳源生长的细菌菌株。随着GO应用的不断增加及其向环境中的释放,细菌生物降解因低成本和良好的环境相容性而受人关注。GO生物降解的机理将为材料生产和改性提供指导,以保持其结构稳定性,从而更安全地使用。

 

 

文献参考

 

Yuanyuan, Qu, et al. A novel environmental fate of graphene oxide: Biodegradation by a bacterium Labrys sp. WJW to support growth[J]. Water Research, 2018.

 

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