海洋烷烃降解微生物感应胞外烷烃与信号转导过程分子机制的研究

Oil is the most important organic pollutant in the global marine environment. Marine oil spills have aroused great concern from the international community and relevant international organizations. The main component of oil is alkane, a variety of micro-organisms in the marine environment involved in the degradation of alkanes. Alcanivorax is the most important typical arsenic degrading bacteria in the marine environment and plays a very important role in the process of oil pollution remediation. The little is known about how alkane sensing, and how the induction signal transitions into the cell. Based on the results of the study on alkane metabolism pathways in the early stage, we propose a scientific hypothesis that the outer membrane protein OmpS, the histidine protein kinase MphK and the regulatory protein MprR together form an alkane sensing and signal transduction pathways. The project is intended to use in-depth research on the methods and techniques of biochemistry, molecular biology, structural biology and informatics to justify the above scientific assumptions. The expected results will gain a deeper understanding of microbial alkane metabolic regulation. This study is important for understanding the alkane metabolic mechanism of bacteria in marine environments.

石油是全球海洋环境中最主要的有机污染物，海洋溢油危害引起了国际社会和相关国际组织的极大关注。石油的主要成分是烷烃，海洋环境中有多种微生物参与烷烃的降解。食烷菌是海洋环境中最为重要的专性烷烃降解菌,在海洋的石油污染修复过程中起到非常重要的作用。对于烷烃降解过程中细菌是如何感应胞外烷烃、感应信号是如何转导到细胞内的分子机制方面几乎没有报道。依据我们前期烷烃代谢的研究成果，提出菌体细胞感应胞外烷烃和将感应信号跨膜转导至胞内的过程是由外膜蛋白OmpS、组氨酸蛋白激酶MphK和调控蛋白MprR共同组成的分子系统完成的科学假设。本项目拟运用生物化学、分子生物学、结构生物学和信息学的方法和技术，展开深入的研究以证明上述科学假设。预期结果将在微生物烷烃代谢分子机制方面获得更新更深的认识。该研究能将烷烃代谢调控与细菌感应信号转导这两个微生物研究热点和难点紧密联系起来，对于认识海洋细菌烷烃类代谢机制有重要意

细菌如何感知环境中的生长底物以启动趋化性，摄取和协调新陈代谢仍然难以捉摸。多环芳烃（PAHs）在全球环境中广泛分布，可作为碳和能源被细菌代谢。在本项目的，我们重点描述了无处不在的海洋多环芳烃降解细菌Cycloclasticus中的烃类底物传感机制。该机制由一个四部分分子装置组成：多环芳烃的外膜受体（PahS），周质蛋白（PahP），不规则组氨酸激酶（PahK）和全局调节因子（PahR），跨越从细胞外膜到内膜通过周质。在这个复合体中，PahS用作外膜传感器，将PAH传递给PahP。接下来，PahP与PAH结合后从PahS中分离，并通过周质穿越到内膜中的激酶PahK。PAH触发的过程进一步诱导细胞质调节因子PahR的磷酸化，其全局调节参与PAH趋化性，摄取，细胞内传感和信号转导途径的关键蛋白的表达。该机制既不是修饰的TonB依赖复合物，也不是跨膜运输系统。它是一种碳氢化合物指定的信号通路，存在于广泛的碳氢化合物破灰细菌中。同时，本项目运用生物化学、分子生物学和信息学的方法和技术，研究菌体细胞感应胞外烷烃和将感应信号跨膜转导至胞内的过程是由外膜蛋白OmpS、组氨酸蛋白激酶MphK和调控蛋白MprR共同组成的分子机制。我们的研究结果提供了细菌烃类化合物代谢的见解，并扩大了我们对异养细胞对其有机生长底物的识别和相互作用的知识。研究结果在微生物烃代谢分子机制方面获得更新更深的认识。目前发表SCI TOP期刊论文4篇，3篇论文审稿中；授权发明专利7项；项目执行期间承担人 获“自然科学基金优秀青年科学基金项目” 资助； 入选“自然资源部高层次科技创新人才第三梯队”；2021年获福建省“第十六届青年科技奖”；入选厦门市“第十一批拔尖人才”和“福建省高层次人才B类”等人才工程。