选择性识别有毒重金属铅离子的全细胞微生物传感器和吸附器的开发

The prevention of toxic heavy metals pollution is the key work of China "12th Five-Year Plan"during the period. How to reasonably apply the metallic elements to the human life, and make it develop sustainably and harmoniously with the ecological and environmental protection, which requires us first to understand and grasp the relationship between the metal and life. In recent years, researchers used metal regulatory proteins from microbial source to developed a series of efficient and specific biosensor which could recognize trace elements and heavy metal ions. But the development of whole-cell microbial sensor and adsorber for toxic heavy metals -lead has not been reported. Therefore, this project intends to combine chemical biology and molecular biology closely, to develop a brand new high selectivity lead ions whole cell bacterial biosensor by engineering the PbrR691 protein which is the only known lead binding protein in nature and its regulatory system.Simultaneously,we will surface display this PbrR691 protein on the cell outmembrane by using E.coli surface display system for selective adsorption and recovery lead ions from environment. These bacterial selective lead biosensor and bioadsorber will be new tools for using biological methods to detect-adsorb-recover the toxic heavy metal pollutants from environment.

有毒重金属的污染防治是我国"十二五"规划期间的重点工作。如何合理地将自然界中的金属元素应用到人类的生产生活中，使之与生态环境保护可持续和谐发展，这就需要我们深入了解并把握金属与生命体之间的相互关系。近年来，研究者们利用微生物来源天然金属调控蛋白，开发出一系列能够高效特异识别微量元素及重金属离子的生物传感器，但是以有毒重金属元素- - 铅为对象的全细胞微生物传感器和吸附器还未见报道。因此，本项目拟将化学生物学和分子生物学紧密结合，通过对自然界中目前已知唯一的铅离子结合蛋白PbrR691及其调控系统的分子改造，构建微生物细胞水平的高选择铅离子生物传感器；同时，通过大肠杆菌表面展示系统对PbrR691蛋白进行细胞表面展示，开发铅离子的微生物金属吸附器，并对其选择性吸附回收铅离子的能力进行测定。这一类铅离子微生物传感器和吸附器的开发将为通过生物手段检测-吸附-回收环境中有毒重金属污染物提供新的工具。

金属元素（如铁、钴、铜、锰、钼、锌等）在生命过程中扮演着非常重要的角色，是很多蛋白质实现其生物化学功能所必需的辅助因子；然而重金属元素又是环境污染重要来源。阐明金属蛋白对金属离子的选择性识别机理并应用到重金属离子的检测及吸附上是一个亟待解决的重要科学问题。本项目立足于利用分子生物学技术，深入分析研究MerR族蛋白特异识别、结合重金属离子的分子基础和机理，开发新型全细胞微生物重金属传感器和吸附器，并在实际环境中进行应用可行性测定和分析。PbrR蛋白是新近发现的一个来源于耐金属嗜铜菌Ralstonia Metallidurans CH34的MerR族蛋白，它能够高效选择性地识别铅离子，并通过pbr操纵子对其上下游的其他同族铅离子抗性相关蛋白进行表达调控，使微生物能够自我调节体内铅离子的浓度，抵抗环境中铅污染造成的危害。在本项目进行中，获资助人基于铅离子特异识别蛋白PbrR结合分子生物学和合成生物学手段，运用微生物表面展示技术，成功构建了针对水体中重金属离子的微生物全细胞吸附器。该工程菌能够有效选择性吸附环境中的铅、镉等有毒重金属离子，并达到保护拟南芥种子免受重金属离子毒性的伤害。同时，申请人还利用合成生物学手段，将pbrR铅离子调控系统与红色荧光蛋白整合，构建了可选择性识别铅离子的全细胞微生物金属传感器。在本项目开展过程中，获资助人基于重金属蛋白发展新型生物环保技术把传统的生物无机化学应用于国家需求，并进行进一步的应用开发， 同时尝试探索基于这项技术开发具有自主知识产权的生物环保技术的可能性。我们发展了一种更加具有持续发展的手段，这些研究结果对从重金属污水中工业化回收指明一条道路。