耐辐射奇球菌

耐辐射奇球菌环境工程EnvironmentalEngineering张园园REPORTBYDeinococcusradiodurans1Whatisit?2Howtopurify?内容What1耐辐射奇球菌概述OverviewofDeinococcusradiodurans耐辐射奇球菌（Deinococcusradiodurans,DR）是一种极端微生物。1956年由美国科学家Anderson等首次从4kGy电离辐射灭菌后仍然变质的肉类罐头中分离出来，被“吉尼斯世界记录”收录并誉为是“世界上最顽强的细菌”。What辐照条件下不同生物的生存状况100-500mSv≤100mSvWhat2000-4000mSv4000-6000mSv1000-2000mSv无影响（noeffect）。辐射剂量对人体的伤害:100-500mSv≤100mSvWhat2000-4000mSv4000-6000mSv1000-2000mSv轻微影响（Slightimpact）。白细胞减少，多无症状表现。辐射剂量对人体的伤害:100-500mSv≤100mSvWhat2000-4000mSv4000-6000mSv1000-2000mSv轻度影响（Mildlyaffected）。疲劳、呕吐、食欲减退、暂时性脱发，红细胞减少。辐射剂量对人体的伤害:100-500mSv≤100mSvWhat2000-4000mSv4000-6000mSv1000-2000mSv中度影响（Moderateimpact）。骨骼和骨密度遭到破坏，红细胞和白细胞数量极度减少，有内出血、呕吐、腹泻症状。辐射剂量对人体的伤害:100-500mSv≤100mSvWhat2000-4000mSv4000-6000mSv1000-2000mSv重度影响（Severeimpact）。造血、免疫、生殖系统以及消化道等肝器受影响，甚至危及生命。辐射剂量对人体的伤害:What1耐辐射奇球菌概述OverviewofDeinococcusradiodurans耐辐射奇球菌是一种古老的细菌，科学研究表明在20亿年前就存在于地球上。耐辐射奇球菌是地球上已知物种中最耐电离辐射的生物之一。对电离辐射、紫外线、干燥、强氧化剂和一些化学诱变剂等各种DNA损伤介质的致死和突变效应显示惊人的抗性。How抗辐射微生物可能的进化机制:(1)早期地球环境中存在极强的电离辐射,耐辐射微生物的辐射抗性是在强烈辐射环境下形成的一种适应能力；(2)微生物在长期的环境(如干燥)胁迫下,或通过物种间的基因水平转移,或经过趋同进化,以不同的进化方式获得了电离辐射的抗性。1耐辐射奇球菌概述OverviewofDeinococcusradioduransHow2耐辐射奇球菌的形态和生长特性MorphologicalandGrowthCharacteristicsofDeinococcusradiodurans耐辐射奇球菌的菌落呈圆形，直径约在1~2μm之间，好氧，能产生粉红色色素，不产孢子。单克隆的菌苔呈凸状，表面光滑，在指数生长期，约90%的细菌呈二联体存在；随着细胞分裂，生长后期形成四叠体；在稳定期，绝大多数细菌呈四叠体。其最适生长温度是30℃，在37℃时生长速度最快。当温度低于4℃或高于45℃时，细胞停止生长。WhatWhat3微生物抗辐射的机理Mechanismofmicrobialanti-radiation(1)微生物细胞本身具有的保护结构；(2)DNA修复机理；(3)耐辐射奇球菌修复酶；(4)耐辐射奇球菌修复酶；(5)耐辐射奇球菌保护酶。What②细胞壁坚固、细胞膜脂质成分独特耐辐射奇球菌细胞具有多层特殊的结构a.质膜含有特殊的磷酸糖脂而非通常的磷脂b.肽聚糖厚度达14~20nm，形成桥联的氨基酸为L-鸟氨酸c.肽聚糖外层有分隔层，厚度为肽聚糖层的两倍d.外膜不包含脂多糖e.S层，由高度有规律排列的蛋白质组成，形成六方点格①抗辐射微生物产生色素吸收辐射能量，防止辐射对DNA或其他细胞物质的损害微生物细胞本身具有的保护结构(1)What耐辐射奇球菌的细胞壁结构1、质膜2、肽聚糖3、分割层4、外模5、S层6、荚膜What②暗修复：a.内切核酸酶辨认出DNA分子上受损部分，将其切开b.外切核酸酶切除二聚体DNA部分c.DNA聚合酶以完整的DNA链为模板，将缺口补上d.连接酶将新复制的DNA链连接起来①光修复：在可见光下光复活酶作用于紫外线引起的T-T二聚体，将二聚体打开。DNA修复机理(2)What②快修复：在DNA聚酶Ⅰ作用下，修复由很快修复后剩下的断裂的单链DNA。①超快修复：单链断裂部分在DNA连接酶作用下极快的修复③慢修复：利用重组修复系统修复快修复所不能修复断裂的单链DNA。修复由电离辐射引起的DNA损伤(3)What抗辐射微生物中含有内切核酸酶α和内切核酸酶β，它们能修上千个碱基断裂的DNA片段。耐辐射奇球菌修复酶(4)What抗辐射微生物中含有活力很高的SOD、CAT、POD，能有效的清除辐射间接作用产生的大量自由基，保护细胞免受侵害。耐辐射奇球菌保护酶(5)What4耐辐射奇球菌代谢产物中的化学成分ChemicalconstituentsofthemetabolitesofDeinococcusradiodurans通过甲醇提取、硅胶柱色谱、重结晶分离纯化,从耐辐射奇球菌(Deinococcusradiodurans)代谢产物中分离得到五个化合物,根据光谱数据鉴定为:腺嘌呤(C5H5N5)，胸腺嘧啶(C5H6N2O2),尿嘧啶(C4H4N2O2),腺苷(C10H13N5O4)和L-丙氨酸(C3H7NO2)。How1耐辐射奇球菌在环境修复中的应用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation耐辐射奇球菌是十分丰富和重要的生物资源,可以直接作为环境修复特别是核废料的处理工具,或者通过基因改造构建工程菌株的方法以提高它们的环境修复能力。How1耐辐射奇球菌在环境修复中的应用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation(1)核废料的处理工具：耐辐射奇球菌对低浓度含铀(Ⅵ)废水有较好的去除效果。在废水pH=5、吸附时间为180min、初始浓度为50mg/L的情况下，投加0.2g/L的菌体吸附剂，可达92.30%的吸附率;随着铀(Ⅵ)初始浓度的提高，铀吸附率微幅下降，吸附量几乎与铀(Ⅵ)浓度成正比。How1耐辐射奇球菌在环境修复中的应用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation(1)核废料的处理工具：印度Bhabha原子能研究中心分子生物学部Appukuttan等通过构建表达非特异性酸性磷酸酶基因的耐辐射奇球菌工程菌对水中的铀进行沉淀后认为,应用耐辐射奇球菌工程菌沉淀铀是可行的,该微生物对辐射的天然抗性有利于对低浓度高辐射环境放射性废物的原位生物修复。How1耐辐射奇球菌在环境修复中的应用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation(2)基因改造构建工程菌株：将重金属抗性基因转化到耐辐射奇球菌中构建工程菌,能够将放射性废物中的重金属转变为毒性较低的溶解度较低的化合物形式。How1耐辐射奇球菌在环境修复中的应用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation(2)基因改造构建工程菌株：实际案例：插入汞抗性基因merA的耐辐射奇球菌工程菌能够在放射性与Hg(Ⅱ)浓度都高于放射性废物堆放点的相应值的条件下正常生长,而且同时能够有效地将Hg(Ⅱ)还原为毒性较低的近于惰性的单原子的挥发性的Hg(0)。How1耐辐射奇球菌在环境修复中的应用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation利用微生物对高放射性环境的污染进行处理时要考虑两个问题：(1)在高放射性环境中微生物能否正常发挥其催化功能；(2)如何保证微生物在进行生物修复时不会产生意想不到的威胁大众安全或者破坏环境的次级效应。How2生物芯片分析结果表明，辐射和干燥胁迫都会诱导一些与修复有关的相同基因的高表达，抗辐射微生物都具有抗干旱的能力。抗辐射微生物中含有丰富的基因资源,具有应用于作物抗干旱研究的潜在价值。农作物抗旱育种：cropdroughtresistancebreedingHow2农作物抗旱育种：cropdroughtresistancebreeding(1)生物芯片分析结果表明,辐射和干燥胁迫都会诱导一些与DNA修复有关的相同基因的高表达；(2)耐辐射奇球菌抗干燥的特点应归因于其在干燥脱水的过程中限制了蛋白质的氧化,因此造成了它对干燥的抗性。How3动植物抗病育种AnimalandplantdiseaseresistancebreedingMonsanto公司已将枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)的冷激蛋白基因(cspB)在植物中表达,提高了其干旱抗性。2009年本研究室将D.radiodurans调控因子irrE基因在油菜中表达后明显提高了转基因油菜的耐盐性(达到350mmol/LNaCl)。How3动植物抗病育种AnimalandplantdiseaseresistancebreedingMonsanto公司已将枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)的冷激蛋白基因(cspB)在植物中表达,提高了其干旱抗性。2009年本研究室将D.radiodurans调控因子irrE基因在油菜中表达后明显提高了转基因油菜的耐盐性(达到350mmol/LNaCl)。How3动植物抗病育种AnimalandplantdiseaseresistancebreedingDR1709属于Nramp家族。Nramp属于一个古老的膜整合转运蛋白家族。Nramp1基因通过将这些金属离子运出内吞小体而使细菌无法合成防御酶系,从而活性氧杀死细菌,使细胞抗菌,Nramp1决定了巨噬细胞通过转运金属离子如Mn(Ⅱ)或Fe(Ⅱ)从而使动物抗病菌侵染。How3动植物抗病育种AnimalandplantdiseaseresistancebreedingGomez研究表明,Nramp1的二价离子转运功能通过酪氨酸蛋白磷酸激酶金属离子相互作用或者依赖活性氧的PTP氧化使PTP的功能受到短暂抑制,从而促进积极的信号传导,这可能是促进巨噬细胞吞噬并发炎的主要机制。How3动植物抗病育种Animalandplantdiseaseresistancebreeding研究耐辐射奇球菌这些基因的功能,有可能通过生物技术合成人类新型的抗生素药品,还可以培育广谱的抗病或金属离子高效吸收转运的动植物新品种。How4药物开发Drugdevelopment(1)为抗氧化药物的研究提供了新的思路从D.radiodurans中鉴定了与抗氧化有关的蛋白质,主要包括:耐辐射奇球菌的微生物资源及其应用Mn/Fe超氧物歧化酶、Cu/Zn超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、巯基烷基过氧化物还原酶、硫氧还蛋白还原酶/烷基过氧化物还原酶、甲硫氨酸亚砜还原酶和谷氧还蛋白等。How4药物开发Drugdevelopment(2)发现治疗肿瘤的新方法和新药物耐辐射球菌对辐射的高抗性表明，其基因组内含有对辐射抗性极强的基因。向骨髓细胞导入耐辐射基因，增强骨髓细胞对射线的耐受性，提高放射应用剂量杀伤体内残存的肿瘤细胞。参考文献[1]刘程智.耐辐射奇球菌转录组测序数据发掘及抗性相关基因功能研究[D].浙江大学,2014.[2]SimphiweC，EvansMN.etal.Ｒemovalofuranium(VI)underaerobicandanaerobicconditions