產(chǎn)電微生物Geobacter菌毛蛋白導(dǎo)電功能分析.pdf

1、產(chǎn)電微生物，在外界電子受體不能進(jìn)入細(xì)胞的情況下，它們能夠?qū)⒑粑溠由斓郊?xì)胞外，將電子傳遞到胞外受體。如果以人工電極作為胞外電子受體，則可以構(gòu)成微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)。MFC可以將有機(jī)物直接轉(zhuǎn)化為電能，提供一種清潔的可再生能源，在產(chǎn)生電能的同時(shí)降解工業(yè)和生活廢水中的有機(jī)物質(zhì)，起到環(huán)境保護(hù)的作用。同時(shí)，借助于胞外電子轉(zhuǎn)移，可以促進(jìn)環(huán)境中毒性或放射性金屬污染物質(zhì)的還原，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境的生物修復(fù)。胞外電子

2、轉(zhuǎn)移也是實(shí)現(xiàn)能源物質(zhì)制造的新途徑。最新研究發(fā)現(xiàn)一些產(chǎn)電微生物，如硫還原地桿菌能利用具有金屬導(dǎo)電性的菌毛進(jìn)行胞外電子轉(zhuǎn)移，但是菌毛的導(dǎo)電機(jī)制尚未明確。
　　本文利用PilFind算法和聚類分析預(yù)測(cè)和識(shí)別導(dǎo)電菌毛的同源蛋白，運(yùn)用多序列比對(duì)工具M(jìn)AFFT對(duì)地桿菌菌毛蛋白的序列特征進(jìn)行分析，使用MEME預(yù)測(cè)的菌毛相關(guān)模體，比較分析QUARK預(yù)測(cè)出的蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)的特性。通過構(gòu)建物種進(jìn)化樹和基因進(jìn)化樹，探索導(dǎo)電菌毛的進(jìn)化源頭。
　　從測(cè)

3、序完全的9個(gè)地桿菌和2個(gè)粘土桿菌基因組中（＞42000個(gè)蛋白質(zhì)）預(yù)測(cè)出183條具有菌毛特征的候選蛋白。聚類分析后識(shí)別出包括GSU1496在內(nèi)的11條同源的a類四型菌毛主蛋白，其中5條蛋白注釋未知，與硫還原地桿菌擁有類似長(zhǎng)度的短菌毛蛋白有7條。另外使用PSI-BLAST在地桿菌和粘土桿菌基因組中預(yù)測(cè)出七條GSU1497的同源基因。分析菌毛同源蛋白的連鎖關(guān)系，發(fā)現(xiàn)GSU1496和GSU1497的同源基因在具有短菌毛的菌種中一一對(duì)應(yīng)，且擁有很

4、高的線性保守性。菌毛蛋白與導(dǎo)電相關(guān)的序列特征有:+1、+24和+27位的芳香族氨基酸高度保守，而+32、+51和+57位芳香族氨基酸位點(diǎn)卻存在差異，+57位的賴氨酸處在高度可變的菌毛蛋白C端區(qū)域，可能對(duì)菌毛導(dǎo)電具有重要的作用。結(jié)構(gòu)特征分析發(fā)現(xiàn)GSU1497及其同源蛋白之間雖然序列一致性不高，但是預(yù)測(cè)的二級(jí)結(jié)構(gòu)卻表明它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上具有較高的相似性:GSU1497具有一段四個(gè)連續(xù)反平行的β折疊結(jié)構(gòu)，球狀外形也與四型菌毛蛋白的C端結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的相

5、似性。模體分析發(fā)現(xiàn)GSU1497及其同源蛋白以及長(zhǎng)菌毛的C端部分擁有一個(gè)保守的序列模體:正常菌毛球狀C端的β曲折結(jié)構(gòu)。構(gòu)建物種進(jìn)化樹和基因進(jìn)化樹，發(fā)現(xiàn)地桿菌和粘土桿菌的短菌毛和長(zhǎng)菌毛在物種進(jìn)化上形成了不同的分支，唯一通過實(shí)驗(yàn)證明具有金屬導(dǎo)電性菌毛的兩個(gè)菌種G.sulfurreducens.PCA和G.metallireducens GS-15分在同一個(gè)短菌毛的分支中，脫鐵桿菌在菌毛蛋白的進(jìn)化上與地桿菌具有緊密的聯(lián)系。這些結(jié)果表明導(dǎo)電菌毛