耐輻射奇球菌

耐輻射奇球菌環(huán)境工程EnvironmentalEngineering張園園REPORTBYDeinococcusradiodurans11/28/2023111/28/2023211/28/2023311/28/202341Whatisit?2Howtopurify?內(nèi)容11/28/20235What1耐輻射奇球菌概述OverviewofDeinococcusradiodurans耐輻射奇球菌（Deinococcusradiodurans,DR）是一種極端微生物。1956年由美國科學(xué)家Anderson等首次從4kGy電離輻射滅菌后仍然變質(zhì)的肉類罐頭中分離出來，被“吉尼斯世界記錄”收錄并譽(yù)為是“世界上最頑強(qiáng)的細(xì)菌”。11/28/20236What輻照條件下不同生物的生存狀況11/28/20237100-500mSv≤100mSvWhat2000-4000mSv4000-6000mSv1000-2000mSv無影響（noeffect）。輻射劑量對人體的傷害:11/28/20238100-500mSv≤100mSvWhat2000-4000mSv4000-6000mSv1000-2000mSv輕微影響（Slightimpact）。白細(xì)胞減少，多無癥狀表現(xiàn)。輻射劑量對人體的傷害:11/28/20239100-500mSv≤100mSvWhat2000-4000mSv4000-6000mSv1000-2000mSv輕度影響（Mildlyaffected）。疲勞、嘔吐、食欲減退、暫時(shí)性脫發(fā)，紅細(xì)胞減少。輻射劑量對人體的傷害:11/28/202310100-500mSv≤100mSvWhat2000-4000mSv4000-6000mSv1000-2000mSv中度影響（Moderateimpact）。骨骼和骨密度遭到破壞，紅細(xì)胞和白細(xì)胞數(shù)量極度減少，有內(nèi)出血、嘔吐、腹瀉癥狀。輻射劑量對人體的傷害:11/28/202311100-500mSv≤100mSvWhat2000-4000mSv4000-6000mSv1000-2000mSv重度影響（Severeimpact）。造血、免疫、生殖系統(tǒng)以及消化道等肝器受影響，甚至危及生命。輻射劑量對人體的傷害:11/28/202312What1耐輻射奇球菌概述OverviewofDeinococcusradiodurans耐輻射奇球菌是一種古老的細(xì)菌，科學(xué)研究表明在20億年前就存在于地球上。耐輻射奇球菌是地球上已知物種中最耐電離輻射的生物之一。對電離輻射、紫外線、干燥、強(qiáng)氧化劑和一些化學(xué)誘變劑等各種DNA損傷介質(zhì)的致死和突變效應(yīng)顯示驚人的抗性。11/28/202313How抗輻射微生物可能的進(jìn)化機(jī)制:(1)早期地球環(huán)境中存在極強(qiáng)的電離輻射,耐輻射微生物的輻射抗性是在強(qiáng)烈輻射環(huán)境下形成的一種適應(yīng)能力；(2)微生物在長期的環(huán)境(如干燥)脅迫下,或通過物種間的基因水平轉(zhuǎn)移,或經(jīng)過趨同進(jìn)化,以不同的進(jìn)化方式獲得了電離輻射的抗性。1耐輻射奇球菌概述OverviewofDeinococcusradiodurans11/28/202314How2耐輻射奇球菌的形態(tài)和生長特性MorphologicalandGrowthCharacteristicsofDeinococcusradiodurans耐輻射奇球菌的菌落呈圓形，直徑約在1~2μm之間，好氧，能產(chǎn)生粉紅色色素，不產(chǎn)孢子。單克隆的菌苔呈凸?fàn)?，表面光滑，在指?shù)生長期，約90%的細(xì)菌呈二聯(lián)體存在；隨著細(xì)胞分裂，生長后期形成四疊體；在穩(wěn)定期，絕大多數(shù)細(xì)菌呈四疊體。其最適生長溫度是30℃，在37℃時(shí)生長速度最快。當(dāng)溫度低于4℃或高于45℃時(shí)，細(xì)胞停止生長。11/28/202315What11/28/202316What3微生物抗輻射的機(jī)理

Mechanismofmicrobialanti-radiation(1)微生物細(xì)胞本身具有的保護(hù)結(jié)構(gòu)；(2)DNA修復(fù)機(jī)理；(3)耐輻射奇球菌修復(fù)酶；(4)耐輻射奇球菌修復(fù)酶；(5)耐輻射奇球菌保護(hù)酶。11/28/202317What②細(xì)胞壁堅(jiān)固、細(xì)胞膜脂質(zhì)成分獨(dú)特耐輻射奇球菌細(xì)胞具有多層特殊的結(jié)構(gòu)質(zhì)膜含有特殊的磷酸糖脂而非通常的磷脂肽聚糖厚度達(dá)14~20nm，形成橋聯(lián)的氨基酸為L-鳥氨酸肽聚糖外層有分隔層，厚度為肽聚糖層的兩倍外膜不包含脂多糖S層，由高度有規(guī)律排列的蛋白質(zhì)組成，形成六方點(diǎn)格①抗輻射微生物產(chǎn)生色素吸收輻射能量，防止輻射對DNA或其他細(xì)胞物質(zhì)的損害微生物細(xì)胞本身具有的保護(hù)結(jié)構(gòu)(1)11/28/202318What耐輻射奇球菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)1、質(zhì)膜2、肽聚糖3、分割層4、外模5、S層6、莢膜11/28/202319What②暗修復(fù)：內(nèi)切核酸酶辨認(rèn)出DNA分子上受損部分，將其切開外切核酸酶切除二聚體DNA部分DNA聚合酶以完整的DNA鏈為模板，將缺口補(bǔ)上連接酶將新復(fù)制的DNA鏈連接起來①光修復(fù)：在可見光下光復(fù)活酶作用于紫外線引起的T-T二聚體，將二聚體打開。DNA修復(fù)機(jī)理(2)11/28/202320What②快修復(fù)：在DNA聚酶Ⅰ作用下，修復(fù)由很快修復(fù)后剩下的斷裂的單鏈DNA。①超快修復(fù)：單鏈斷裂部分在DNA連接酶作用下極快的修復(fù)③慢修復(fù)：利用重組修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)快修復(fù)所不能修復(fù)斷裂的單鏈DNA。修復(fù)由電離輻射引起的DNA損傷(3)11/28/2023212023/11/2822What抗輻射微生物中含有內(nèi)切核酸酶α和內(nèi)切核酸酶β，它們能修上千個(gè)堿基斷裂的DNA片段。耐輻射奇球菌修復(fù)酶(4)11/28/202323What抗輻射微生物中含有活力很高的SOD、CAT、POD，能有效的清除輻射間接作用產(chǎn)生的大量自由基，保護(hù)細(xì)胞免受侵害。耐輻射奇球菌保護(hù)酶(5)11/28/202324What4耐輻射奇球菌代謝產(chǎn)物中的化學(xué)成分ChemicalconstituentsofthemetabolitesofDeinococcusradiodurans通過甲醇提取、硅膠柱色譜、重結(jié)晶分離純化,從耐輻射奇球菌(Deinococcusradiodurans)代謝產(chǎn)物中分離得到五個(gè)化合物,根據(jù)光譜數(shù)據(jù)鑒定為:腺嘌呤(C5H5N5)，胸腺嘧啶(C5H6N2O2)

,尿嘧啶(C4H4N2O2),腺苷(C10H13N5O4)和L-丙氨酸(C3H7NO2)。11/28/202325How1耐輻射奇球菌在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation耐輻射奇球菌是十分豐富和重要的生物資源,可以直接作為環(huán)境修復(fù)特別是核廢料的處理工具,或者通過基因改造構(gòu)建工程菌株的方法以提高它們的環(huán)境修復(fù)能力。11/28/202326How1耐輻射奇球菌在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation(1)核廢料的處理工具：耐輻射奇球菌對低濃度含鈾(Ⅵ)廢水有較好的去除效果。在廢水pH=5、吸附時(shí)間為180min、初始濃度為50mg/L的情況下，投加0.2g/L的菌體吸附劑，可達(dá)92.30%的吸附率;隨著鈾(Ⅵ)初始濃度的提高，鈾吸附率微幅下降，吸附量幾乎與鈾(Ⅵ)濃度成正比。11/28/202327How1耐輻射奇球菌在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation(1)核廢料的處理工具：印度Bhabha原子能研究中心分子生物學(xué)部Appukuttan等通過構(gòu)建表達(dá)非特異性酸性磷酸酶基因的耐輻射奇球菌工程菌對水中的鈾進(jìn)行沉淀后認(rèn)為,應(yīng)用耐輻射奇球菌工程菌沉淀鈾是可行的,該微生物對輻射的天然抗性有利于對低濃度高輻射環(huán)境放射性廢物的原位生物修復(fù)。11/28/202328How1耐輻射奇球菌在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation(2)基因改造構(gòu)建工程菌株：將重金屬抗性基因轉(zhuǎn)化到耐輻射奇球菌中構(gòu)建工程菌,能夠?qū)⒎派湫詮U物中的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)槎拘暂^低的溶解度較低的化合物形式。11/28/202329How1耐輻射奇球菌在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation(2)基因改造構(gòu)建工程菌株：實(shí)際案例：插入汞抗性基因merA的耐輻射奇球菌工程菌能夠在放射性與Hg(Ⅱ)濃度都高于放射性廢物堆放點(diǎn)的相應(yīng)值的條件下正常生長,而且同時(shí)能夠有效地將Hg(Ⅱ)還原為毒性較低的近于惰性的單原子的揮發(fā)性的Hg(0)

。11/28/202330How1耐輻射奇球菌在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用ApplicationofDeinococcusradioduransinEnvironmentalRemediation利用微生物對高放射性環(huán)境的污染進(jìn)行處理時(shí)要考慮兩個(gè)問題：(1)在高放射性環(huán)境中微生物能否正常發(fā)揮其催化功能；(2)如何保證微生物在進(jìn)行生物修復(fù)時(shí)不會產(chǎn)生意想不到的威脅大眾安全或者破壞環(huán)境的次級效應(yīng)。11/28/202331How2生物芯片分析結(jié)果表明，輻射和干燥脅迫都會誘導(dǎo)一些與修復(fù)有關(guān)的相同基因的高表達(dá)，抗輻射微生物都具有抗干旱的能力。抗輻射微生物中含有豐富的基因資源,具有應(yīng)用于作物抗干旱研究的潛在價(jià)值。農(nóng)作物抗旱育種：cropdroughtresistancebreeding11/28/202332How2農(nóng)作物抗旱育種：cropdroughtresistancebreeding(1)生物芯片分析結(jié)果表明,輻射和干燥脅迫都會誘導(dǎo)一些與DNA修復(fù)有關(guān)的相同基因的高表達(dá)；(2)耐輻射奇球菌抗干燥的特點(diǎn)應(yīng)歸因于其在干燥脫水的過程中限制了蛋白質(zhì)的氧化,因此造成了它對干燥的抗性。11/28/202333How3動植物抗病育種AnimalandplantdiseaseresistancebreedingMonsanto公司已將枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)的冷激蛋白基因(cspB)在植物中表達(dá),提高了其干旱抗性。

2009年本研究室將D.radiodurans調(diào)控因子irrE基因在油菜中表達(dá)后明顯提高了轉(zhuǎn)基因油菜的耐鹽性(達(dá)到350mmol/LNaCl)。11/28/202334How3動植物抗病育種AnimalandplantdiseaseresistancebreedingMonsanto公司已將枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)的冷激蛋白基因(cspB)在植物中表達(dá),提高了其干旱抗性。

2009年本研究室將D.radiodurans調(diào)控因子irrE基因在油菜中表達(dá)后明顯提高了轉(zhuǎn)基因油菜的耐鹽性(達(dá)到350mmol/LNaCl)。11/28/202335How3動植物抗病育種AnimalandplantdiseaseresistancebreedingDR1709屬于Nramp家族。Nramp屬于一個(gè)古老的膜整合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族。Nramp1基因通過將這些金屬離子運(yùn)出內(nèi)吞小體而使細(xì)菌無法合成防御酶系,從而活性氧殺死細(xì)菌,使細(xì)胞抗菌,Nramp1決定了巨噬細(xì)胞通過轉(zhuǎn)運(yùn)金屬離子如Mn(Ⅱ)或Fe(Ⅱ)從而使動物抗病菌侵染。11/28/202336How3動植物抗病育種AnimalandplantdiseaseresistancebreedingGomez研究表明,Nramp1的二價(jià)離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能通過酪氨酸蛋白磷酸激酶金屬離子相互作用或者依賴活性氧的PTP氧化使PTP的功能受到短暫抑制,從而促進(jìn)積極的信號傳導(dǎo),這可能是促進(jìn)巨噬細(xì)胞吞噬并發(fā)炎的主要機(jī)制。11/28/202337How3動植物抗病育種Animalandplantdiseaseresistancebreeding研究耐輻射奇球菌這些基因的功能,有可能通過生物技術(shù)合成人類新型的抗生素藥品,還可以培育廣譜的抗病或金屬離子高效吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的動植物新品種。11/28/202338How4藥物開發(fā)Drugdevelopment(1)為抗氧化藥物的研究提供了新的思路從D.radiodurans中鑒定了與抗氧化有關(guān)的蛋白質(zhì)

,主要包括:耐輻射奇球菌的微生物資源及其應(yīng)用Mn/Fe超氧物歧化酶、Cu/Zn超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、巰基烷基過氧化物還原酶、硫氧還蛋白還原酶/烷基過氧化物還原酶、甲硫氨酸亞砜還原酶和谷氧還蛋白等。11/28/202339How4藥物開發(fā)Drugdevelopment(2)發(fā)現(xiàn)治療腫瘤的新方法和新藥物

耐輻射球菌對輻射的高抗性表明，其基因組內(nèi)含有對輻射抗性極強(qiáng)的基因。向骨髓細(xì)胞導(dǎo)入耐輻射基因，增強(qiáng)骨髓細(xì)胞對射線的耐受性，提高放射應(yīng)用劑量殺傷體內(nèi)殘存的腫瘤細(xì)胞。11/28/202340參考文獻(xiàn)[1]劉程智.耐輻射奇球菌轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)發(fā)掘及抗性相關(guān)基因功能研究[D].浙江大學(xué),2014.[2]SimphiweC，EvansMN.etal.Ｒemovalofuranium(VI)underaerobicandanaerobicconditionsusinganindigenousmineconsortium［J］.MineralsEngineering，2010，23(6):526-531．[3]楊杰,董發(fā)勤,代群威,劉明學(xué),聶小琴,張東,馬佳林,周嫻.耐輻射奇球菌對放射性核素鈾的吸附行為研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2015,04:1010-1014.[4]HeShengbin,RuanBinbiao,ZhengYueping,etal.JournalofEnvironmentalRadioactivity,2014,137:46.[5]華孝挺,田兵,華躍進(jìn).耐輻射奇球菌同源重組修復(fù)機(jī)制研究新進(jìn)展[J].核農(nóng)學(xué)報(bào),2010,06:1192-1197.[6]WuY,ChenW,ZhaoY,etal.InvolvementofRecGinH2O2-induceddamagerepairinDeinococcusradiodurans[J].CanJMicrobiol,2009,55(7):841-848[7]KriskoA,RadmanM.ProteindamageanddeathbyradiationinEscherichiacoliandDeinococcusradiodu