Pseudomonas putida GM6多聚磷酸盐激酶(ppk)基因的克隆及表达

以一株高效聚磷菌Pseudomonas putidaGM6为研究材料。为获得其多聚磷酸盐激酶(polyphos-phate kinase,ppk)基因,并验证该基因在磷酸盐转运系统中的作用,根据已报道的ppk基因保守区域设计引物,从其总DNA中成功扩增到ppk基因的部分片段(约528 bp)。随后采用快速染色体步移方法(Self-formed adap-tor PCR,SEFA-PCR)技术扩增片段的上下游基因序列,将三个序列拼接,用OMIGA软件分析其ORFs,推测ppk基因全长为2 220 bp(GenBank accession number DQ133537)。构建的多聚磷酸盐激酶表达菌株E.coliBL21(DE3)/pET29a-ppk经IPTG诱导后3 h时,明显出现分子量约为81 kDa的表达产物。且表达菌株在12 h时的磷去除率高达80%(对照菌株的磷去除率仅为18%),远高于已报道的40%的去除率。这表明ppk基因在E.coli中的过量表达,导致了E.coli菌体中poly-P的大量聚集,从而大大去除了培养基中的磷酸盐。

多聚磷酸盐激酶(PPK)基因植物表达载体的构建

[目的]构建融合表达PPK和绿色荧光蛋白的融合表达载体pCAMBIA1302-PPK。[方法]根据GenBank中登录的大肠杆菌PPK基因序列(L03719)设计引物,以E.coli DH5α基因组DNA为模板,通过PCR扩增得PPK基因,然后用In-Fusion@HD Cloning Kit将PPK基因克隆到pCAMBIA1302载体的Nco I酶切位点。[结果]序列测定结果显示,pCAMBIA1302-PPK含有约2.0 kb的PPK基因片段,说明PPK基因已插入植物表达载体pCAMBIA1302的绿色荧光蛋白基因前。[结论]成功构建了融合表达PPK和绿色荧光蛋白的融合表达载体pCAMBIA1302-PPK。

多聚磷酸盐在微生物抗环境胁迫中的作用及机制

抗环境胁迫是微生物提高环境适应性和增加生存机会的一个重要策略,探明微生物抗环境胁迫的过程及分子机制对于了解微生物进化和开发微生物资源具有重要意义。多聚磷酸盐(polyphosphate,polyP)在微生物抗环境胁迫中发挥重要作用。在营养限制条件下,polyP可充当微生物的能源来源和信号分子,增强微生物对低营养环境的适应能力。在微生物应对环境胁迫过程中,polyP可作为蛋白质的伴侣,通过蛋白质修饰改变蛋白质结构使其免受失活,从而维持其功能完整性。polyP具有金属螯合能力,可提高微生物对重金属胁迫的抵抗能力。微生物能通过调节polyP的合成来适应环境pH的改变,调节酸碱胁迫过程中的能量消耗。基于polyP抗环境胁迫的特性,通过转基因技术,把polyP合成相关基因转入到农作物中,可以增加农作物体内polyP含量,从而提高农作物抗环境胁迫的能力。利用含有polyP的微生物处理重金属废水,可极大地提高重金属离子的去除效率。同时,微生物中合成的polyP颗粒也能进一步开发为生物活性产品。因此,polyP在微生物抗胁迫中发挥多样化作用,通过各种分子途径提高微生物对环境胁迫的耐受性。加强polyP在微生物抗环境胁迫中的作用与机制研究,不仅丰富微生物抗环境胁迫的研究内容,而且为多聚磷酸盐类生物活性物质的工程应用提供技术支撑。

ppk1基因缺失对脑膜炎大肠杆菌K1株生物学功能的影响

目的比较大肠杆菌K1株E44敲除ppk1基因后与野生株之间差异并探讨ppk1基因在E.coli K1株致脑膜炎机制中的作用。方法(1)将野生株与敲除株置于56℃2、4、6 min,以比较二者对热刺激的抵抗力差异;(2)利用电子显微镜直接观察以及采用经典的粘附、侵袭率定量实验比较二者对脑微血管内皮细胞(HBMEC)的粘附和侵袭能力;(3)将细菌与脑微血管内皮细胞共同孵育后,利用激光共聚焦观察二者诱导脑微血管内皮细胞的细胞骨架重排现象。结果与野生株E44相比,ppk1敲除株对于56℃热刺激的抵抗力明显下降;电子显微镜可以观察到,敲除株粘附和侵袭入HBMEC的数量均少于野生株,定量粘附、侵袭实验也进一步证实;借助激光共聚焦发现敲除株诱导HBMEC细胞骨架重排的能力要弱于野生株。结论 ppk1对于脑膜炎大肠杆菌K1株抵抗热刺激、粘附和侵袭HBMEC以及诱导HBMEC的细胞骨架重排具有重要作用。

高效除磷工程菌Pseudomonas putida GM6-PPK1的构建及其除磷能力研究

ppk1基因编码的多聚磷酸盐激酶主要负责多聚磷酸盐的合成,其表达量的高低直接决定聚磷菌的聚P能力的强弱。Pseudomonas putida GM6是从EBPR好氧池活性污泥中分离获得的一株具有聚P能力的菌株,该菌株含有两个编码多聚磷酸盐激酶的基因(ppk1和ppk2)。通过PCR从高效聚磷菌株总DNA中扩增得到了ppk1及其启动子,并定向克隆到pBBRMCS-5载体上,构建了重组质粒pMEPE-PPK,在辅助质粒pRK2013的帮助下,通过三亲接合将pMEPE-PPK转移到原始菌株GM6中,获得的工程菌P.putidaGM6-PPK1。GM6-PPK1除P能力较原始菌株GM6和对照菌株GM6-P5提高了54%,生长能力较原始菌株也有一定增强。通过模拟EBPR工艺,发现GM6-PPK1在厌氧/好氧交替的环境条件下强化表达不但提高了菌体好氧段的吸P能力,而且厌氧段P的释放和PHA的合成较之原始菌株也有显著增加。

高糖通过调节腺苷酸活化蛋白激酶/聚二磷酸腺苷核糖聚合酶-1的磷酸化抑制B细胞淋巴瘤/白血病-6基因表达的研究

目的探讨高浓度葡萄糖对B细胞淋巴瘤/白血病-6基因(BCL-6)的影响及其是否通过腺苷酸活化蛋白激酶α/聚二磷酸腺苷核糖聚合酶-1(AMPKα/PARP 1)磷酸化途径。方法分离培养人脐静脉内皮细胞,用不同浓度的葡萄糖孵育脐静脉内皮细胞24 h,RT-PCR和Western blot检测检测内皮细胞AMPK hr172和PARP-1 Ser-177的磷酸化、BCL-6及炎症因子血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)、单核细胞去化因子-1(MCP-1)和MCP-3的表达。用不同浓度的AMPK磷酸化激动剂AICAR(0、0.5、1mmol/L)孵育脐静脉内皮细胞4 h;Western blot检测内皮细胞AMPKhr 172和PARP-1 Ser-177的磷酸化及BCL-6表达。用AICAR预处理内皮细胞4 h,然后加入高浓度葡萄糖(30 mnol/L)作用于内皮细胞24 h,Western blot及免疫荧光检测内皮细胞AMPK hr 172和PARP-1 Ser-177的磷酸化及BCL-6表达。结果高浓度葡萄糖可抑制AMPK hr 172和PARP-1 Ser-177的磷酸化,降低内皮细胞BCL 6的表达,同时,炎症因子VCAM-1、MCP-1和MCP-3表达增加。AICAR能增强内皮细胞AMPKhr 172和PARP 1Ser-177的磷酸化,BCL-6表达增加。AICAR可逆转高浓度葡萄糖对AMPKhr 172和PARP 1 Ser-77的磷酸化及BCL-6表达的抑制作用。结论高浓度葡萄糖通过抑制AMPARP-1磷酸化减少BCL-6的表达,从而使炎症表达增加。

多聚磷酸盐激酶的原核表达、纯化及酶活性测定

目的原核表达、纯化多聚磷酸盐激酶(polyphosphate kinase,PPK),并检测其酶活性。方法采用PCR法从尿路致病性E.coli CFT073中扩增ppk基因,克隆至原核表达载体pET-28a中,构建重组表达质粒pET-28a-ppk,转化感受态E.coli BL21(DE3),IPTG诱导表达。重组蛋白经His-镍亲和层析柱分离纯化后,采用4',6-二脒基-2-苯基吲哚(4',6-diamidino-2-phenylindole,DAPI)染色法测定纯化蛋白的酶活性。结果重组表达质粒pET-28a-ppk经双酶切及测序鉴定,证明构建正确。重组蛋白的相对分子质量约80000,纯化后蛋白浓度为518.9μg/mL。在加入10μg PPK酶,37℃孵育30 min的条件下测得的PPK酶活性最大,为(645.16±32.98)U/mg。结论成功在E.coli中表达了重组PPK,纯化产物纯度较高,具有PPK酶活性,为后续以PPK为靶点新型抗菌药物的研发奠定了基础。

尿路致病性大肠杆菌ppk1基因缺失株的构建及其生物学特性研究

目的构建尿路致病性大肠杆菌CFT073的聚磷酸盐激酶1（polyphosphate kinase，PPK1）基因敲除株，并初步探索其体外生物学特性。方法以CFT073株为研究对象，利用Red同源重组技术敲除CFT073的即ppk1基因，构建敲除株△pk1；通过细胞实验即以人膀胱癌上皮细胞5637为体外模型对CFT073野生型菌株、敲除菌株的黏附及侵袭能力进行比较；采用96孔板结晶紫染色法分析CFT073ppk1基因敲除对其生物膜形成能力的影响。结果成功构建了CFT073ppk1基因敲除株；敲除ppk1后，细菌对膀胱癌上皮细胞的黏附、侵袭能力较野生株都明显减弱；△pk1在各时间点570mm处结晶紫吸光度值均较野生株的低。结论利用Red同源重组技术可成功敲除CFT073的ppk1基因，ppk1在尿路致病性大肠杆菌黏附、侵袭尿路上皮及生物膜形成过程中可能发挥了重要作用。

ppk1基因对尿路致病性大肠埃希菌药物敏感性的影响及其机制

目的探讨多聚磷酸盐激酶1(ppk1)基因缺失对尿路致病性大肠埃希菌药物敏感性的影响及其机制。方法在本团队以往的研究中以尿路致病性大肠埃希菌CFT073为标准野生菌株,并成功构建敲除株△pk1和回补株△pk1-C。分别使用纸片扩散法和微量肉汤法检测CFT073、△pk1和△pk1-C对抗菌药物的敏感性;实时荧光定量PCR法对CFT073和△pk1的耐药性相关基因进行定量分析,对使用β-内酰胺类药物刺激的CFT073和△pk1的耐药性相关基因进行定量分析。结果与CFT073相比,两种药敏实验结果均显示△pk1对头孢噻肟、哌拉西林、他唑巴坦、氯霉素、呋喃妥因、磺胺甲噁唑和多黏菌素B的敏感性增强(P<0.05),而△pk1-C的敏感性无差异;实时荧光定量PCR检测CFT073和△pk1耐药性相关基因结果显示,ompF在△pk1中的表达明显上调,ompC、ompA、mdtA、mdtG、marB、marC和pmrD在△pk1中的表达相对下调,ompW和tolC在两菌株中的表达无差异;分别经哌拉西林和头孢噻肟刺激后,CFT073株ompA、ompW和tolC基因的表达量均升高,△pk1的均无统计学差异。结论ppk1基因的缺失使尿路致病性大肠埃希菌对某些抗菌药物的耐药性降低,并且ppk1基因可以影响其耐药性相关基因的表达。

MUCT短程硝化和反硝化除磷系统中Candidatus Accumulibacter的代谢活性和菌群结构

采用实现亚硝酸型硝化的MUCT工艺处理低C/N实际生活污水,在短程硝化的基础上实现反硝化除磷.研究短程硝化建立与破坏过程中,亚硝酸盐积累率的变化对系统除磷性能及CandidatusAccumulibacter菌群结构的影响.结果表明:MUCT除磷以反硝化除磷为主,平均反硝化除磷率高达88%.磷去除率与亚硝酸盐积累率具有很好的正相关性.短程硝化阶段磷的平均去除率比全程硝化阶段高30%以上,证明了亚硝酸盐更适合作为低C/N比污水反硝化除磷的电子受体.以多聚磷酸盐激酶基因(ppk1)作为遗传标记,采用实时荧光定量PCR方法考察不同亚硝酸盐积累率下Accumulibacter的丰度、各主要进化分支的菌群结构和相对丰度.当系统处于全程硝化状态时,存在少量以硝酸盐为电子受体的Acc-I型反硝化聚磷菌,低于总Accumulibacter的5%;当系统进入短程硝化状态后,Acc-I逐渐消失.运行期间以亚硝酸盐作为电子受体进行反硝化除磷的Acc-IID始终是优势聚磷菌,达到总Accumulibacter的92%以上,甚至接近100%,保证了亚硝酸型反硝化除磷的稳定运行,亚硝酸盐浓度是影响其丰度变化的重要因素.

EBPR工艺污泥中聚磷菌多样性与除磷潜力评价方法

自1970年代研究者发现聚磷菌(polyphosphate accumulating organism,PAO)并提出经典的强化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal,EBPR)工艺“厌氧释磷-好氧摄磷”机理以来,随着EBPR工艺中PAO新菌株的不断发现和生理生化特征研究的不断深入,研究者们对EBPR机理的认识一直在不断更新.及时总结近40年来EBPR机理的研究进展,基于活性污泥中PAO菌株信息全面归纳PAO多样性特征,以此为依据客观评价目前活性污泥中PAO除磷潜力评价方法的不足并展望未来重点研究方向,对于推动EBPR工艺优化升级将具有非常重要的理论与实际意义.本文全面调研了1980—2021年国际期刊相关文献,发现传统EBPR机理中厌氧内碳源合成、厌氧释磷意义等受到了较多质疑,反硝化聚磷新机理已获得广泛认同;活性污泥中PAO具有异常丰富的多样性,包含Acinetobacter(29%)、Pseudomonas(15%)、Tetrasphaera(4%)、Alcaligenes(4%)等42个菌属,部分PAO具有反硝化聚磷和异养硝化能力.在目前主流的活性污泥PAO除磷潜力评价方法中,荧光原位杂交和定量PCR技术只以Accumulibacter或Acinetobacter属PAO为检测对象,高通量测序和变性梯度凝胶电泳技术基于片面的PAO多样性信息作为分析依据,在此基础上PAO丰度所反映的PAO除磷潜力的准确性尚存在疑问,未来需要加强面向活性污泥PAO多样性的探针或特异性引物的研发.与传统方法相比,EDTA法胞内多聚磷酸盐颗粒含量检测技术较为先进,但需要以PAO和非PAO菌株为参照深入阐明检测结果的边界.

Acinetobacter tandoii SC36 ppk基因的克隆与表达

磷含量过多是引起水体富营养化的关键因子之一,利用聚磷微生物能有效减少水体中的磷含量,而多聚磷酸盐激酶(PPK)在微生物聚磷中起着重要作用。本研究以聚磷菌Acinetobacter tandoii SC36的ppk1-44基因为材料,利用生物信息学方法预测该基因的生物学性质,将该基因克隆至大肠杆菌中,通过不同培养条件优化该基因的表达,并对基因的功能进行初步分析。生物信息学预测结果表明:由ppk1-44所编码的PPK1-44蛋白具有1个保守的PPK C端结构域、1个ATP结合位点及2个镁离子结合位点,属于亲水性蛋白。聚磷活性实验结果显示:与对照组的吸磷量相比,工程菌BL44的吸磷量并无明显提高,但在28℃时,工程菌BL44的生长状况明显优于对照组,表明在一定条件下过量表达ppk44基因可提高大肠杆菌的低温耐受能力。

微生物聚磷及其酶学调控

本文论述了微生物细胞内磷酸盐转运机制和与聚磷相关的酶—PPK、PPX及两者对微生物聚磷行为的调控,并对今后研究重点做出展望.论文认为对于微生物聚磷的研究应从纯种微生物转移到强化生物除磷系统的混合微生物菌群,运用分子生物学和生物信息学手段分析聚磷优势菌种的PPK和PPX酶的结构特征及其在活性污泥中的变化规律,进一步深入认识生物除磷调控机理,开辟寻求提高系统除磷效率的新途径.