产电微生物蛋白质相互作用网络及电子传递功能分析

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产电微生物具有胞外电子转移(Extracellular Electron Transfer,EET)能力,可以通过EET机制将电子传递给人工电极构成微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)。MFC在提供可再生能源、处理废水、净化环境等诸多方面具有重要的应用前景。然而目前MFC的产电效率很低,还没有大规模应用于实际中。理解产电微生物EET机制是提高MFC产电效率的一个关键环节,大量研究表明生物网络可以高效预测生物学路径,因此可用于研究EET相关的电子传递通路。本文的目的就是通过产电微生物蛋白质相互作用网络分析来研究产电微生物的EET机制,识别可能与EET功能相关的蛋白,并构建各种可能的EET通路,为通过基因工程技术改造微生物、提高微生物产电效率提供科学依据。  本文选取重要的产电模式菌Shewanella oneidensis MR-1作为研究对象,构建了其电子传递相关蛋白的相互作用网络,对网络拓扑特性和重要功能模块进行了分析,并重构了EET通路,为在分子水平认识产电微生物的EET机制提供基础。主要研究结果如下:  (1)构建了全基因组规模的电子传递相关蛋白相互作用网络。借助相关数据库,整合基因组注释信息、蛋白质相互作用信息和相关文献信息,最终构建了S.oneidensisMR-1全基因组规模的电子传递相关蛋白相互作用网络,包括682个蛋白质,5854个相互作用对;  (2)通过网络结构分析发现关键EET蛋白。分析了网络的拓扑特性,发现网络具有无标度特征和小世界效应。另外通过中心性方法识别网络中关键蛋白,发现其中大部分负责生产电子,少数为EET通路蛋白。通过k-shell方法分析网络,发现S.oneidensisMR-1电子传递网络有不同的功能区,通过网络内的合作实现EET。  (3)预测并重构了EET通路。将网络划分为小的功能模块,其中一个模块包含两条经典的EET通路分支,结合亚细胞定位、蛋白质折叠结构、基因表达数据等信息重点分析该模块蛋白,预测了3条可能的EET通路,并结合已知通路重构了EET通路。  论文利用生物信息学方法系统研究产电微生物S.oneidensis MR-1,从基因序列、基因表达、蛋白质结构和蛋白质相互作用网络等各个层面,全面分析产电微生物,认识EET机制,研究结果可能为阐明微生物产电机制提供一定信息。
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