嗜盐古菌Haloferax sp.D1227中超氧化物歧化酶功能鉴定及其增强细菌耐盐性的研究

【背景】细菌、酵母或植物来源的超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)编码基因在异源宿主中表达并提高宿主耐盐性的研究已有一些报道,其异源宿主也多为植物,而古菌来源的超氧化物歧化酶编码基因在细菌中成功表达并提高其耐盐性的研究尚无报道。【目的】寻找嗜盐古菌Haloferax sp.D1227中的超氧化物歧化酶编码基因并鉴定其功能,将其在4-硝基苯酚降解细菌Burkholderia sp.SJ98中表达,研究该古菌的超氧化物歧化酶对菌株SJ98耐盐性和降解4-硝基苯酚功能的影响。【方法】通过生物信息学方法寻找嗜盐古菌D1227中潜在的超氧化物歧化酶编码基因,利用表达载体p ET-28a和广泛宿主载体p BBR1MCS-2将其分别在E.coli BL21(DE3)和4-硝基苯酚的降解菌株SJ98中异源表达,检测细胞抽提液和纯化蛋白的超氧化物歧化酶比活力。分别以葡萄糖和4-硝基苯酚为碳源,在M9培养基和添加500 mmol/L Na Cl(Na Cl含量约3%)的M9培养基中分别培养细菌SJ98的重组菌株和空载体重组菌株,利用全自动生长曲线分析仪和高效液相色谱等方法检测重组菌株的生长能力和对4-硝基苯酚的降解能力。【结果】通过生物信息学分析,在嗜盐古菌D1227基因组中发现了潜在的超氧化物歧化酶编码基因sod A,其在E.coli BL21(DE3)和菌株SJ98中分别异源表达均具有超氧化物歧化酶活力[细胞抽提液的比活力分别为21.07±0.02 U/mg和84.56±0.16 U/mg,从BL21(DE3)菌株纯化的蛋白Sod AD1227比活力为179.46±3.43 U/mg]。在添加500 mmol/L Na Cl的M9培养基中培养时,以葡萄糖为碳源,重组菌株SJ98[p BBR-sod A]仍可正常生长,而空载体对照菌株SJ98[p BBR1MCS-2]几乎丧失了生长能力;以4-硝基苯酚为碳源,菌株SJ98[p BBR-sod A]保持了利用底物生长和降解底物的能力,而菌株SJ98[p BBR1MCS-2]的生长和降解能力几乎丧失。用软件Phyre2模拟分析Sod AD1227的单体结构,该蛋白拥有Fe/Mn-SOD家族的典型结构特征,推测其属于Fe/Mn-SOD家族。【结论】本研究为利用古菌SOD对细菌进行改造以适应高盐环境中降解有机污染物的应用提供了潜在的可行性。

盐胁迫条件下古菌超氧化物歧化酶增强细菌降解硝基酚

【背景】Burkholderia sp.SJ98利用对硝基酚和2-氯-4-硝基酚为唯一碳源和能源进行生长,通过异源表达嗜盐古菌Haloferax sp.D1227中的超氧化物歧化酶SodA,使菌株SJ98在500 mmol/L NaCl条件下仍具有降解对硝基酚的能力。然而该重组细菌在普通和高盐条件下其降解基因的转录和降解酶比活力的高低,以及该菌在高盐条件下是否还能降解对硝基酚衍生物尚未知晓。【目的】研究Burkholderia sp.SJ98的耐盐上限,观察含有sodA的细菌SJ98在普通和高盐条件下降解对硝基酚和2-氯-4-硝基酚的能力,检测重组菌中pnpA基因的转录和硝基酚单加氧酶的活力。【方法】在添加葡萄糖、对硝基酚或2-氯-4-硝基酚的无机盐培养基(分别含400-800 mmol/L NaCl)或M9培养基(含0和500 mmol/L NaCl)中培养细菌SJ98及其重组菌。通过紫外分光光度计和高效液相色谱法检测菌株生长和底物降解。通过实时荧光定量PCR分别以两种硝基酚为诱导物,检测未添加和添加500 mmol/L NaCl时,硝基酚单加氧酶编码基因pnpA的转录量变化。利用紫外分光光度计分别以两种硝基酚为底物,检测在添加500 mmol/L NaCl时,重组菌和空载体菌的粗酶液中硝基酚单加氧酶对两种底物的活力变化。【结果】野生型菌株SJ98以葡萄糖为碳源生长的NaCl耐受浓度是600mmol/L。未添加NaCl时,重组菌SJ98[pCM-pnpR-PpnpA-sodA-rfp]生长和降解对硝基酚的能力远优于野生菌。添加500 mmol/L NaCl时,重组菌SJ98[pBBR-sodA]仍保持了利用2-氯-4-硝基苯酚底物生长和降解该底物的能力,而空载体菌SJ98[pBBR1MCS-2]的生长和降解能力完全丧失;重组菌SJ98[pBBR-sodA]粗酶液中单加氧酶对于对硝基酚和2-氯-4-硝基酚的活力均约为野生菌的1/3。分别以两种硝基酚为诱导物时,无论是否添加NaCl,重组菌SJ98[pBBR-sodA]中硝基酚单加氧酶编码基因pnpA的转录量比野生型中高出约17-25倍;但添加500 mmol/L NaCl时,pnpA的转录均受到部分抑制。【结论】本研究为利用古菌超氧化物歧化酶对细菌进行改造以提高普通环境和高盐环境中细菌降解硝基芳烃污染物能力的应用提供了潜在的可行性。