嗜酸性氧化亚铁硫杆菌氟抗性基因crcB的克隆及功能分析

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嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(Acidichiobacillus Ferrooxidans)是一种重要的浸矿微生物,许多矿石中的萤石在酸性浸出环境下溶出较高浓度的氟离子,严重影响A.ferrooxidans菌的正常代谢及繁殖,从而抑制其在浸矿过程中的效率。因此,高抗氟的优良菌株可以有效提高矿石的浸出效率,对其抗氟的分子机理的研究利于人们对优良菌株进行分子改良,选育出高抗氟的优良菌株。  根据已报道的嗜酸性氧化亚铁硫杆菌的基因组,通过生物信息学分析发现,大多数A.ferrooxidans中也含有细菌中普遍存在的氟抗性相关基因crcB基因,已有的研究证明在部分细菌中crcB基因编码氟离子转运蛋白并和细菌的抗氟特性直接相关,但A.ferrooxidans菌中的crcB基因是否具有相同的作用需要进一步验证。我们通过分离纯化得到的两株不同的A.ferrooxidans菌株,一株抗氟,一株不抗氟,分别测定它们的抗氟能力,结果显示不抗氟菌在氟离子浓度为20mg/L的培养基中生长速率大幅弱于抗氟菌,不抗氟菌在氟离子浓度为60mg/L的培养基中完全不能生长,而抗氟菌仍能生长,但生长速率有所降低,氟抗性较差的暂定名为A.ferrooxidans BKF,具有较强的氟离子抗性的暂定名为A.ferrooxidans KF。  根据A.ferrooxidans ATCC23270全基因组序列,设计特异引物分别克隆上述两种菌株的crcB基因。通过PCR克隆获得A.ferrooxidans KF和A.ferrooxidans BKF菌中的crcB基因的全长序列。进一步进行序列比对和同源建模,获得了CrcB的理化性质及三维结构模型,结果显示A.ferrooxidans KF及A.ferrooxidans BKF菌中的CrcB蛋白之间存在三个氨基酸的差异,且其中第43、44位氨基酸的差异导致蛋白质的三维结构发生一定程度的改变,这些氨基酸的突变可能是导致其 CrcB的抗氟相关功能。通过Real-time Quantitative PCR分析A.ferrooxidans KF在氟胁迫下crcB基因的转录水平上的变化,结果显示相比无氟条件下,A.ferrooxidans KF的crcB基因在含氟条件下(氟离子浓度20mg/L)转录水平上调18倍,初步证明了crcB基因与A.ferrooxidans抗氟过程密切相关。由于A.ferrooxidans菌中的crcB基因所编码的是一种逆向转运蛋白,构建表达重组质粒 pET30a-crcB,转化表达宿主感受态大肠杆菌(E.coli BL21(DE3)),选取经测序验证正确后的重组菌在氟条件下诱导表达,以含空载质粒的大肠杆菌为对照,每组设三个平行,间隔两小时测OD值,结果显示含重组质粒 pET30a-crcB的重组菌在含氟培养基中的生长速度明显快于对照组,说明单基因crcB能起一定的抗氟作用。  本研究利用生物信息学分析了抗氟菌株和不抗氟菌株的CrcB的氨基酸序列差异,通过模拟三维结构初步分析了突变点的差异。在转录水平上分析了抗氟菌株在氟离子下 crcB基因的转录水平上的差异。在大肠杆菌中进行了异源表达,分析了crcB基因在大肠杆菌中可以起到一定的抗氟能力。后期将对两种菌株进行重测序及转录组分析,通过分析氟相关抗性基因的在转录水平上的差异,系统研究嗜酸性氧化亚铁硫杆菌的抗氟的分子机理。
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