成团泛菌介导下的金还原过程及分子机制

Reduction of gold mediated by bacteria and its molecular mechanism is the key scientific issue in gold biogeochemistry. This research will study the reduction of gold by strain Pantoea sp.IMH. Firstly, The research will study the process of the Au(III) reduction by modern spectroscopic characterization methods， such as X-ray absorption near edge structure analysis techniques (XANES). Then, the genes involved in this process will be found by the transcriptome analysis and real-time PCR. Finally, the genes unregulated genes will be knocked by CRISPR-Cas9, and the effect of the genes will be defined. Eventually the molecular mechanism of gold reduction mediated by Pantoea sp.IMH will be revealed. The results should provide the theoretical basis for further understanding of gold biogeochemical cycling and the practical significance of biosynthesis of gold nanoparticles mediated by bacteria.

微生物介导下金还原的分子机制是金纳米材料合成技术研究以及金元素生物地球化学循环研究中的关键科学问题之一。本项目以广泛存在且有重要环境意义的成团泛菌菌株Pantoea sp.IMH为研究对象，首先，利用光谱学XANES等手段研究该菌株介导下的三价金离子的还原过程；然后，以此为基础，借助转录组分析及实时荧光定量PCR等分子生物学手段，确定参与金还原相关基因；最后，利用CRISPR法敲除相关基因，通过检测突变子金还原的能力变化，以及敲除基因功能回补的研究，明确相关基因在金还原过程中的具体作用，并进一步探寻其中的特异性基因，最终揭示成团泛菌菌株IMH金还原的分子机制。该工作有望在基因水平上揭示微生物金还原分子机制，对于推动金纳米材料的生物合成以及金元素生物地球化学循环的研究具有重要的实践价值和理论意义。

微生物介导的金还原过程及其分子机制是金元素地球化学循环以及金纳米材料合成研究中的关键科学问题。在国家自然科学基金委资助下，本课题以广泛存在且有重要环境意义的成团泛菌菌株Pantoea sp. IMH为研究对象，首先，利用同步辐射XANES等手段研究该菌株介导下Au(III)的还原过程，发现Au(III)先被还原为Au(I)复合物，Au(I)复合物进一步被还原生成金纳米颗粒(Au-NPs)。超薄切片TEM显示在IMH菌株的细胞质内和细胞外壁都有Au-NPs的生成。利用ATR-傅里叶变换红外发现IMH胞外聚合物（EPS）是胞外Au(III)还原的主要物质。转录组以及实时荧光定量PCR发现一个功能未知的胞内氧化还原酶基因（命名为gorA）对Au(III)胁迫有直接的响应，同时利用启动子活性检测系统对这一结果进行了验证。进一步成功构建了IMH菌株的基因编辑体系，并基于此敲除基因gorA获得突变株，同时构建gorA的回补菌株。比较分析野生菌株，突变菌株以及回补菌株对Au(III)的还原能力以及Au(III)的抗性，确定了gorA参与胞内Au(III)的还原。利用优化好的原核表达系统在体外成功表达纯化了GorA的活性蛋白，GorA在有辅因子NADH的作用下可将金还原为金的纳米颗粒。进一步我们利用理论计算分子对接的方法（Discovery studio 2.1）证实了氯金酸分子在GorA蛋白的活性中心可被NADH还原。该课题系统的研究了微生物金还原过程及其机理，揭示了EPS作为微生物的第一道保护屏障可将胞外的Au(III)还原为Au-NPs，进入胞内的Au(III)主要由胞内氧化还原酶GorA介导完成。该工作在基因水平上揭示微生物胞内金还原的分子机制，填补了微生物Au(III)还原分子遗传机制的空白。对于推动金元素生物地球化学循环研究以及金纳米材料的生物合成具有重要的理论意义和实践价值。