耐辐射奇球菌表面S层蛋白的生化功能及其在吸附转化重金属中的作用机制研究

Heavy metal pollution constitutes a worldwide environmental pollution problem and leads to a serious hazard to public health. Bioremediation of heavy metals by microorganisms is an environmental friendly technology. Because of the toxicity of heavy metal on microorganisms, most of the microorganisms are not suitable for the treatment of pollution containing heavy metals at high concentrations. It is in need of screening and investigating the microorganisms with special resistance to stresses and bioremediation abilities on heavy metals. Deinococcus radiodurans is a nonpathogenic bacterium known for its resistance to extreme stresses including oxidants.The outermost layer of its cell envelope is the surface layer (S-layer) made of functional protein structure units. Our project will focus on the biochemical function and properties of S-layer protein in D. radiodurans. Relationship between the self-assembly characteristics and functions of S-layer will be investigated based on our previous study. The role and mechanism of self-assemblied S-layer in biosorption and transformation of heavy metals will be studied to evaluate its application in bioremediation and recovery of valuable heavy metals. The results will not only help to elucidate the self-assembly function of S-layer and the resistance mechanism of D. radiodurans to extreme stresses, but also provide fundament for the application of D.radiodurans in biosorption and recovery of heavy metals.

重金属污染是世界性的环境污染问题并严重危害公共健康。基于微生物对重金属的吸附转化作用是一种环境友好的重金属生物处理技术，但是由于重金属对微生物的毒性作用，大多数微生物不适合用于高浓度重金属污染的处理，寻找并研究具有特殊抗逆性和可吸附转化重金属的微生物成为迫切需要。本项目研究的耐辐射奇球菌是一种能够忍受强烈氧化剂等极端逆境的非致病细菌，其细胞外被最外层是由特殊的蛋白结构单元构成的表面层（surface-layer, 简称S层）。本课题计划围绕耐辐射奇球菌S层蛋白的生化功能和特性，在前期研究的基础上，研究并揭示S层自组装特性与功能的关系，阐明S层在吸附转化重金属中的作用机制，旨在探讨其在治理重金属污染和回收有价值重金属材料方面的价值，研究结果不仅为阐明耐辐射奇球菌S层自组装功能和深入了解菌体超强抗性的分子机理提供新的见解，也为耐辐射奇球菌吸附和回收重金属的应用提供理论基础。

重金属污染是目前环境污染治理中面临的严峻挑战，基于微生物对重金属的吸附转化作用是一种环境友好的重金属生物处理技术，寻找并研究具有特殊抗逆性和可吸附转化重金属的微生物成为迫切需要。本项目围绕耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans, DR菌）表面S层蛋白的生化功能及其特性，利用生化和分子生物学等手段鉴定S层相关蛋白并研究其功能，阐明S层在吸附转化重金属中的作用机制和价值。研究鉴定了DR菌S层蛋白DR_1124、DR_2577和DR_146T等，揭示了其生化性质与功能。DR_146T（TamB）蛋白具有两个TamB结构域和一个未知功能的DUF490结构域，不同于只含有一个TamB结构域的大肠杆菌TamB，DR菌TamB参与了DR_2577（SlpA）的组装并维护S层的完整和稳定。分析了N端、C端部分序列突变对蛋白功能的影响，结果表明，N端的TamB结构域在DR_146T蛋白功能中起重要作用。探究了DR菌对重金属离子的吸附转化作用，发现DR菌表面S层能够有效地吸附溶液中的铅、银和金等重金属离子，并将重金属离子还原转化形成相应的纳米颗粒，对纳米颗粒的形态、粒径等特性进行了表征。S层蛋白缺失突变导致菌体对重金属的吸附转化能力明显降低，表明S层蛋白在重金属的吸附转化中起重要作用，探讨了S层蛋白N端、C端序列和关键位点在重金属吸附转化机制中的功能，阐明了S层在重金属吸附和还原转化中的作用和机制，细胞表面蛋白作为还原和包被剂参与金属纳米颗粒的形成。金属离子浓度、pH、温度等条件能够影响金属离子的吸附和转化作用。研究成果为揭示耐辐射奇球菌S层蛋白的功能和深入了解菌体的抗性机理提供了新的见解，而且为改造和利用耐辐射奇球菌S层特性在治理重金属污染和回收有价值重金属材料方面的应用提供了理论基础和技术支撑。