基于GenoLab M的全基因组测序揭示假单胞菌降解全氟羧酸的生物学机制
时间:
2024-02-06
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基于GenoLab M的全基因组测序揭示假单胞菌降解全氟羧酸的生物学机制



文章梗概

真迈生物用户俄罗斯科学院乌法联邦研究中心在国际期刊——toxics上发表题为“Biodegradation Potential of C7-C10 Perfluorocarboxylic Acids and Data from the Genome of a New Strain of Pseudomonas mosselii 5(3)”的研究成果。研究者从杀虫剂(含氟化物)污染的土壤中分离到一株假单胞菌Pseudomonas mosselii 5(3),并发现其对C7-C10的全氟羧酸perfluorocarboxylic acids (PFCAs)具有降解潜能,随后通过GenoLab M测序仪完成了该菌株的基因组测序,发现其基因组全长为5.6 Mb,含有5134个基因,其中有4个基因编码的酶,参与氟化物的降解。此外,唯一碳源(各种C7-C10的全氟羧酸)培养实验和LC-MS分析也验证了该假单胞菌降解全氟羧酸的潜能。


背景介绍

全氟羧酸的主要代表是全氟辛酸和全氟辛烷磺酸,它们稳定性高,广泛用于杀虫剂生产、织物保护剂、食品外包装、电镀及灭火器的泡沫成分。这类化合物在生物体内易累积,难降解,不仅会毒害野生动物,对人体也有毒副作用,如:诱发各种肿瘤,引起免疫系统和肝脏紊乱,影响胎儿发育及生殖功能。随着人类的大量使用,在水体与土壤等环境中,全氟羧酸被广泛检出。因此,开发有效的技术来分解全氟羧酸类化合物已迫在眉睫。


当前,分解全氟羧酸类化合物的常规手段,包括化学处理、高温焚烧和超声波技术。然而,这些方法既昂贵又低效,无法取得令人满意的结果。因此,生物降解技术,尤其是基于微生物的全氟羧酸化合物降解技术就提上了日程,而目前许多研究发现,假单胞菌具有降解有机氟化合物的能力。


*以下为该研究成果解读


结果概要


01 菌株的种属鉴定与基因组功能注释

基于生理与生化实验的一系列结果及16S rRNA的分析,菌株被归属到假单胞菌Pseudomonas。选取属内代表菌株,基于全基因组分析结果,被分类到Pseudomonas mosselii (图1A)。对P.mosselii 5(3)二代测序,组装得到的基因组全长5,676,241 bp,GC含量64.38%。菌株P.mosselii 5(3)含有5134个基因,其中56.8%的基因功能能被KEGG数据库注释,尤其是外源物质生物降解与代谢“Xenobiotics biodegradation and metabolism”这个分类中有超过60个功能基因,它们主要参与降解各种芳香族化合物(乙苯、硝基甲苯、二甲苯、苯乙烯、萘、多环芳烃、氨基苯甲酸酯、二恶英等)。此外,在基因组中还发现了可能参与全氟羧酸脱羧和脱羰基化的酶的编码基因,如参与氟化物脱卤过程的卤烷脱卤酶基因(dhaA)和卤乙酸脱卤酶H-1基因(dehH1)

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02 在C7-C10全氟羧酸生长表现

细菌为了在全氟羧酸上生长,需要将其运输到细胞中,合成一种能够断裂C-F键的高效酶,并识别有毒的氟离子,随后将其从细胞中排出。本研究发现:以上的障碍对于P.mosselii 5(3)都不是问题,因为它能够在以C7-C10 全氟羧酸作为唯一碳源的矿物培养基上良好生长,而6-7天后,其生物量达到峰值。


03 解析C7-C10全氟羧酸的降解途经

全氟羧酸的生物降解可能包括多个步骤:脱羧、羟基化和脱氟。LC-MS检测了菌株以全氟羧酸为碳源生长的培养液的代谢物,采用离子交换色谱检测氟离子,并结合基因组中编码参与脱羧、羟基化和脱氟反应的酶,绘制出下图所示的生物降解途径。

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结论

1. 菌株P.mosselii 5(3)分离自杀虫剂污染的土壤,首次报道了它能降解C7-C10全氟羧酸。

2. 菌株的基因组测序发现了之前未在微生物中报道的基因,包括氟化合物降解关键的酶或蛋白,如卤烷脱卤酶基因、卤乙酸脱卤酶H-1基因、氟离子转运基因和烷磺酸单加氧酶基因。

3. LC-MS分析结果表明,转化是由全氟己酸引起的,伴随氟离子的释放。

4. 菌株P.mosselii 5(3)在分子层面上证实具有分解C7-C10 全氟羧酸的高潜力,该项研究将有助于探索菌株在降解全氟羧酸的细胞生物学过程和相关生物技术的开发,以恢复受有机氟化物污染的环境。


参考文献

Chetverikov S, Hkudaygulov G, Sharipov D, et al. Biodegradation Potential of C7-C10 Perfluorocarboxylic Acids and Data from the Genome of a New Strain of Pseudomonas mosselii 5 (3)[J]. Toxics, 2023, 11(12): 1001.


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