赤红球菌OA1降解多环芳烃的分子机理研究

Among the severe environmental pollutants, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) represent a group of the priority pollutants because of their toxicity and relative persistency in the environment due to the high thermodynamic stability of the benzene moiety. It has become a growing concern of the world to investigate the eliminating ways of these pollutants..Microbial degrading and transforming of PAHs has become a hot topic of research for its high efficiency. But up to date, the resarch about the physiolgy and molecular basis of biodegrading has focused on Gram negative bacteria, while involved less about Gram positive bacteria-another important pedigree with high performance in biodegrading. .During the previous work, a Gram positive bacterium-Rhodococcus ruber OA1 was isolated which had high performance in both PAHs and benzoate catabolizing, but the catabolic molecular mechanisms was still unkown. The goal of the project is to illustrate the molecular mechainsms of PAHs catabolization in Rhodococcus ruber OA1 by investigating the organization, structure, founctions, and regulation of the genes involved in PAHs catabolism. .The study will bring sientific basis for the detection, prevention, control and bioremediation of PAHs pollution in the environment.

多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是一类分布广泛且危害严重的环境有机污染物，毒性大，难降解，如何清除此类污染物是全球最关注的问题之一。多种微生物具有降解和转化PAHs的功能且已成为全球研究热点。但迄今为止，对降解性微生物的生理代谢和分子基础的研究主要集中于革兰氏阴性细菌,而对亲缘关系较远但降解能力较强的革兰氏阳性细菌研究较少。本项目组在前期研究中分离得到一株既能高效降解多环芳烃又能高效降解苯甲酸的赤红球菌OA1株，其降解的分子机理未知。本项目将从多环芳烃降解基因簇的组织、结构、功能、调控等方面研究赤红球菌OA1降解多环芳烃的分子机理，为利用该类细菌资源预防、监测和控制环境多环芳烃污染及生态恢复提供理论依据和技术支持。

多环芳烃（PAHs）是一类分布广泛的持久性有机污染物，因其毒性大难降解而成为全球关注的焦点问题之一。本项目组在前期研究中分离得到一株能高效降解多环芳烃的赤红球菌OA1株，且初步研究发现该菌株的降解途径与已报道其他红球菌有不同之处，但具体降解的分子机理未知，因而本课题欲对其降解分子机理展开研究。. 首先，我们通过关键酶基因的探查和基因组文库的构建、筛选，克隆到赤红球菌OA1参与多环芳烃降解的两个重要基因簇nid基因簇和pca基因簇，并对其进行了测序及生物信息学分析，阐明了这两个降解基因簇的组成、排列和基因的可能功能，揭示了菌株降解PAHs的遗传基础。同时，通过代谢物检测分析，发现赤红球菌OA1降解萘的中间代谢物中存在水杨酸和邻苯二甲酸，说明赤红球菌可以通过水杨酸途径和邻苯二甲酸途径这两条途径降解萘。水杨酸途径是较广泛存在的PAHs降解中游途径，除在红球菌属的多个种内存在，也存在于其他的革兰氏阳性菌和阴性菌中；而邻苯二甲酸途径则鲜有报道，尤其在红球菌属中之前并未发现，这是首次揭示红球菌属存在PAHs降解的邻苯二甲酸途径。之后，通过对OA1萘诱导条件下的酶活性检测分析，发现萘降解邻苯二甲酸途径中的原儿茶酸双加氧酶（PCD）、水杨酸途径中的邻苯二酚1,2-双加氧酶（C12O）和龙胆酸双加氧酶（GDO）起了重要的作用，说明这些酶催化的反应是PAHs降解中游途径的深度分支代谢途径。然后，我们通过对nid基因簇中关键基因narAaAb和pca基因簇中关键基因pcaGH进行克隆、异源表达和表达产物的功能检测，发现其表达产物分别具有萘双加氧酶（NDO）活性和34PCD活性，充分验证了基因簇的功能，同时揭示了红球菌NDO与革兰氏阴性菌NDO的基因组织差异。此外，我们通过PAH诱导实验和降解酶基因转录水平的研究，发现PAH上游降解途径中NDO酶编码基因narAb的转录受PAH的诱导调控，而中游降解途径中C12O、GDO和34PCD的编码基因的转录不受PAH的诱导调控，是组成型表达的，它们可能不仅参与PAHs降解，还可能在细菌的基础代谢或其他芳香族化合物的代谢中也起作用。. 本项目揭示了赤红球菌OA1降解多环芳烃的途径和分子机理，为进一步利用该类细菌资源预防和控制环境多环芳烃污染及生态恢复提供了理论和实验依据。