烃-水界面生物被膜在迪茨氏属菌烷烃降解中的功能与调控机制

Microbial degradation of alkanes is ubiquitous in nature. The degradation pathway, key enzymes and their regulatory mechanism have been well studied, but little is known about the extracellular events during alkane degradation. It has been reported that most alkane degraders can form hydrocarbon-interface biofilms, which is thought to be important in alkane degradation. However, the functional mechanism for hydrocarbon-water interface biofilms, key genes and the regulatory mechanisms still remain a mystery. In this proposal, we will use the alkane degrading bacterium Dietzia sp. DQ12-45-1b as the model alkane degrader, and investigate the composition and function of the extracellular polymeric substances in the biofilms, the key genes in hydrocarbon-water interface formation, and their regulatory and substrates responding mechanisms. The methods such as transcriptome analysis, transposon mutant library screening, gene knockout, EMSA, ITC will be used in this study. Our work, which is the continuing research of our previous finds, will provide new insights into the molecular machinery of microbial alkane degradation.

烷烃的微生物降解是自然界普遍存在的现象，目前对其降解途径、关键酶、调控机制等研究较为深入，但缺乏降解过程中微生物胞外活动的研究。多数微生物在降解烷烃过程中会在烃-水界面形成生物被膜，并且可能与烃降解功能有关，然而其形成过程、功能和调控机制仍不清楚。针对这一个问题，本申请项目将以广谱烷烃降解菌迪茨氏属菌DQ12-45-1b作为研究对象，利用转录组、随机突变体库筛选、基因敲除、EMSA、ITC等方法，分别从烃-水界面生物被膜的组成与功能，烃-水界面生物被膜发育的关键基因，关键基因的调控与底物响应机制三个方面展开研究，以揭示菌株 DQ12-45-1b烃-水界面生物被膜的功能及其发育调控的分子机制。本项目的研究是申请人前期研究工作的深入，将从新的角度研究菌株DQ12-45-1b的烷烃降解机制，为烷烃微生物降解的分子机理研究提供新的思路。

烷烃的微生物降解是自然界普遍存在的现象，目前对其降解途径、关键酶、调控机制等研究较为深入，但缺乏降解过程中微生物胞外活动的研究。项目通过突变文库筛选，转录组学分析，基因敲除，生化分析等一系列研究手段，系统研究了Dietzia sp. DQ12-45-1b在烃降解过程中，烃-水界面生物被膜的形成、特征与影响因素，并进一步在细胞表面疏水性和细胞外生理功能方面进行了深入研究。研究发现细胞表面疏水性可能是烃-水界面生物被膜形成的重要因素，确定了烃-水界面生物被膜形成过程以及与烷烃降解能力的关系。通过突变库筛选发现Ferredoxin reductase与Ferredoxin组成的电子传递体是Dietzia sp. DQ12-45-1b代谢烷烃和烃-水界面生物被膜形成的必需基因，可能与烷烃羟化酶AlkW之间形成电子传递。此外，研究发现脂酰辅酶A合成酶（ACS）通过脂代谢参与了细胞表面疏水性的调节。通过acs突变库的烷烃底物筛选实验获得2株促进超长链烷烃降解过程的突变体A12和B8，可能通过脂代谢调控改变细胞表面疏水性，进而促进烷烃转运提升降解功能。在对Dietzia sp. DQ12-45-1b细胞外行为的进一步研究发现该菌株可以分泌一种特殊的外膜分枝酸囊泡，包含AlkB，HtaA等多种结合蛋白以及铁载体等，具有重要的细胞外生理功能。对其功能研究发现该分枝酸囊泡通过结合的铁载体和HtaA蛋白，帮助菌株摄取胞外铁离子与血红素以适应低铁环境。综上所述，本项目研究结果揭示了Dietzia sp. DQ12-45-1b菌株烃-水生物被膜形成的关键因素和基因，并首次证明囊泡作为细胞适应低铁环境的载体，同时介导铁离子与血红素的结合与获取，为生物被膜及微生物细胞外生理功能研究提供了新的思路。