应用系统生物学手段揭示布氏嗜酸两面菌钼抗性分子机制

Bioleaching microorganisms play a key role in the molybdenite bioleaching. To understand their molecular mechanisms of molybdenum-resistance are crucial for reducing (or even totally releasing) the suppression on the leaching process caused by soluble molybdenum ion. Till now, our knowledge about the molecular mechanisms of molybdenum-resistance are still limited. In this project, we try to systematically discover the genes, metabolism pathways and relating regulation patterns involving in the molybdenum-tolerance in Acidianus brierleyi DSM 1651, by using of systems biology approaches to compare the different gene expression level under different culture conditions (molybdenum-free and molybdenum-stress). Eventually, we will construct the molybdenum-tolerance OMICS database of DSM 1651. Through this project, we hope to not only discover the molecular mechanisms of molybdenum-resistance in DSM 1651 and give intellectual support for its better industry applications, but also provides a new research pattern for other heavy-metal resistance mechanisms in leaching microorganisms.

生物提钼离不开冶金微生物的作用，揭示冶金微生物钼抗性的分子机制为从根本上降低（或解除）钼离子的毒害作用对于生物浸出过程的抑制作用具有重要意义，目前还缺乏相关的研究积累。本研究以钼抗性强的布氏嗜酸两面菌DSM 1651为研究对象、利用系统生物学手段，通过比较DSM 1651在钼离子胁迫和非胁迫状态下基因组序列与基因表达水平（转录与翻译）的差异，从整体水平上揭示参与钼抗性机制的相关基因、代谢途径和相应的调控方式，并构建DSM 1651的钼抗性组学数据库。系统生物学手段的引入，克服了缺少遗传操作系统的不利因素，不仅有助于从整体水平上系统地研究菌株DSM 1651钼抗性的分子机制、为生物提钼的工业化生产顺利实施提供理论支持，同时也为研究冶金微生物的其它重金属抗性分子机制提供了新的研究模式。

生物提钼离不开冶金微生物的作用，揭示环境中耐钼微生物的钼抗性分子机制为寻找出降低（或解除）钼离子对于冶金微生物生物浸出过程抑制作用的方法具有重要价值，目前还缺乏相关的研究积累。本研究以钼矿中分离筛选得到的钼抗性好的芽孢杆菌LM 4-2为研究对象、利用系统生物学手段，通过比较菌株LM 4-2在钼离子胁迫和非胁迫状态下基因表达水平（转录与翻译）的差异，从整体水平上揭示了菌株LM 4-2细胞对于钼胁迫条件的全局应答情况，以及可能的钼抗性机制。研究结果如下：(1) 分离筛选的得到一株钼抗性极强(252 g/L)的菌株Bacillus.sp LM 4-2，测定了其全基因组序列，并确定了其分类学地位；(2) 在钼胁迫压力条件下，通过对代谢途径差异表达基因的富集分析，揭示菌株LM 4-2的氮代谢(同化型硝酸盐还原)和硫代谢途径(异化型硫酸盐还原)中的关键基因在胁迫条件下发生上调表达，而碳代谢途径相关基因表达受到抑制；数据分析还显示菌株LM 4-2有35个氧化还原蛋白上调表达，其中包括到砷酸盐还原酶、偶氮还原酶等还原酶类，结合已经报道的实验结果，提出菌株LM 4-2可能通过全局性的还原策略以降低钼离子的价态，从而降低钼的毒害作用。(3) 含硫氨基酸ABC转运蛋白和磺酸盐ABC转运蛋白可能在转运钼酸盐质细胞内脱毒的过程中扮演了重要角色。(4) 研究构建了偶氮还原酶(BsLM_2044)的表达载体，并检测了重组菌株钼抗性的变化，结果表明，偶氮还原酶的异源表达有助于提高重组菌株的钼抗性。本项目的顺利实施，不仅为研究冶金微生物的重金属抗性机制提供了新的研究模式，同时也为更好的在生物提钼工业中的应用提供智力支持。