地杆菌新种Geobacter soli胞外电子传递相关的膜蛋白定位与功能研究

Extracellular respiration is an important microbial respiration pathway which in significant in soil ecology and promising in environmental remediation. Geobacter is the typical extracellular respiratory bacteria. Extracellular electron transfer is the crucial issue of extracellular respiration, the essence of which is the interaction among various membrane proteins. Thus, membranome of extracellular bacteria is the hitting-point of extracellular electron transfer study. The development of new proteomic techniques conquer difficulties of high biomass demand and the imprecise localization of membrane proteins, and provide opportunities for the membranome study of extracellular bacteria presently. This project aims to set up an experimental system of a novel species Geobacter soli GSS01, which is an indigenous species in the red soil of South China. SWATH-MS technique combined with trypsin shaving and surface-enhanced Raman spectroscopy will be employed to analyze the response regularities of extracellular bacteria to environmental factors and illustrate the mechanism of extracellular electron transfer at the protein level. The electron transfer model will be set up to provide theoretical basis to further understand the extracellular electron transfer process and technical support for improvement of pollutant degradation efficiency by extracellular respiratory bacteria.

胞外呼吸是一种具有土壤生态学意义及环境修复应用前景的微生物呼吸形式。地杆菌是胞外呼吸研究的模式菌。电子传递机制是其中最核心的科学问题，其本质是微生物膜上多种蛋白的相互作用。因此胞外呼吸菌的膜蛋白组学，是研究直接胞外电子传递机制的切入点。新技术的发展，克服了样品生物量要求大及膜蛋白定位不精准的难题，为基于膜蛋白组的胞外电子传递机制研究提供了契机。本项目拟以我国南方红壤土著地杆菌新种Geobacter soli GSS01为对象，综合采用SWATH-MS蛋白质组检测法、胰蛋白酶剔除法和表面强化拉曼光谱等手段，探析其膜蛋白组对外界环境因子的响应规律，从蛋白质水平上解析其胞外电子传递途径，同时构建胞外电子传递模型，旨在为深入理解微生物胞外电子传递过程提供理论基础，为实际应用中提高胞外呼吸菌处理污染物效率提供技术支撑。

胞外呼吸是一种具有土壤生态学意义及环境修复应用前景的微生物呼吸形式，地杆菌是胞外呼吸研究的模式菌，形成生物膜是许多胞外呼吸发生的先决条件，电子传递机制是其中最核心的科学问题，这两个过程的本质都是微生物中多种蛋白的相互作用，因此胞外呼吸菌的蛋白组是研究直接胞外电子传递机制的切入点。本项目以我国南方红壤土著地杆菌新种Geobacter soli GSS01为研究对象，检测并评价其胞外呼吸性能，综合分析其膜蛋白组和转录组对不同电子受体的响应规律。结果表明，GSS01具备双向电子传递的能力，其还原胞外难溶性氧化铁的速度比地杆菌模式株Geobacter sulfurreducens PCA快1.3-4.7倍，以电极为电子受体时产生的峰值电流比PCA高30%。循环伏安法、微分脉冲伏安法及原位电化学红外光谱分析表明，GSS01比PCA多一个活性氧化还原蛋白。化学信号分子通过提高GSS01的外膜蛋白丰度、促进外膜酰胺II、NADH脱氢酶和胞外聚合物中关键酶的合成来促进其生物膜形成，从而影响其胞外呼吸。当G. soli以难溶性氧化铁为电子受体时，与以可溶性氧化铁为电子受体的对照组比较，在地杆菌其它菌株的胞外电子传递中起重要作用的OmcS蛋白为其中上调最多的蛋白，然而OmcE和PilA蛋白却呈现下调和持平的趋势，反而是OmcN、PilQ和PilM等呈现上调趋势，与模式株G. sulfurreducens PCA有异，表明地杆菌属即便同样以基于膜结合蛋白的直接电子传递途径来进行胞外呼吸，但其参与电子传递的膜蛋白却有区别。当以电极为电子受体时，不同的阳极电势也会影响GSS01的膜蛋白组和胞外聚合物的电子转移能力来影响其胞外呼吸。研究成果为继续深入理解微生物胞外电子传递过程提供理论基础，为实际应用中提高胞外呼吸菌处理污染物效率提供技术支撑。