產(chǎn)電菌電子傳遞相關(guān)基因通路的研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)作為新型綠色能源，可以幫助我們解決環(huán)境問題和能源危機，但其過低的產(chǎn)電效率限制了它的應(yīng)用，而產(chǎn)電菌產(chǎn)電的能力與胞外電子傳遞通路密切相關(guān)。研究產(chǎn)電微生物胞外電子傳遞過程與分子機制，發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)電效率相關(guān)的關(guān)鍵基因、通路和代謝物，是微生物燃料電池研究中的關(guān)鍵技術(shù)。產(chǎn)電菌Shewanella oneidensis MR-1（以下簡稱S.oneidensisMR-1）具有產(chǎn)電效率高以及能

2、夠利用多種電子受體等優(yōu)點，主要通過細胞色素蛋白以直接傳遞的方式進行胞外電子傳遞，是研究MFC的重要模式生物之一。
　　本文通過研究S.oneidensis MR-1全基因組以及細胞色素C相關(guān)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對不同條件下的胞外電子傳遞通路（extracellular electron transfer，EET）中蛋白的編碼基因表達情況進行分析，并通過基因表達數(shù)據(jù)分析的方法研究特異性條件下胞外電子傳遞的基因調(diào)控通路，在基因調(diào)控層面上探

3、索其胞外電子轉(zhuǎn)移的機制，促進微生物系統(tǒng)生物學(xué)的研究。
　　為了發(fā)現(xiàn)在胞外電子傳遞過程中起到關(guān)鍵作用的基因以及通路，首先利用比較基因組學(xué)的方法，以模式微生物大腸桿菌和四個同屬希瓦氏菌的其他菌株為參考基因組，構(gòu)建了包含95個轉(zhuǎn)錄因子、1298個靶基因和2703對調(diào)控關(guān)系的S.oneidensis MR-1的全基因組基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，擴展了目前已知的基因調(diào)控關(guān)系，為后面的工作奠定了基礎(chǔ)。
　　然后從STRING數(shù)據(jù)庫中查詢S.on

4、eidensis MR-1的41個細胞色素蛋白的相互作用蛋白，從DOOR數(shù)據(jù)庫中查詢這些蛋白編碼基因處于同一操縱子的其它基因，以這些細胞色素相關(guān)基因為靶基因在全基因組的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中進行匹配得到調(diào)控關(guān)系，從而構(gòu)建了與胞外電子傳遞直接傳遞密切相關(guān)的細胞色素相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由21個轉(zhuǎn)錄因子、306個靶基因和671對調(diào)控關(guān)系組成。
　　從GEO數(shù)據(jù)庫中下載S.oneidensis MR-1的基因表達數(shù)據(jù)集并從中篩選出合適條件

5、的數(shù)據(jù)集，分析了在這些數(shù)據(jù)集對應(yīng)的特異性條件下胞外電子傳遞通路中蛋白編碼基因的表達情況。本文中對四種特異性條件進行了詳細的分析，分別是不同培養(yǎng)基質(zhì)的條件、不同電子受體的條件、鐵還原的條件和hnoC缺失型菌株的條件，通過表達譜分析了這些條件下胞外電子傳遞的可能通路。在乳酸為培養(yǎng)基質(zhì)的環(huán)境中，以電極為電子受體時，基因表達數(shù)據(jù)表明可能選擇CymA-CctA(FccA)-MtrABC-OmcA或CymA-DmsEF-OmcA的EET通路，而在以

6、檸檬酸三鐵為電子受體時，可能選擇CymA-CctA(FccA)-MtrDE-SO4360-OmcA的EET通路。
　　最后以不同培養(yǎng)基質(zhì)這一條件為例，對數(shù)據(jù)集GSE25821進行差異表達分析，得到表達上調(diào)基因和表達下調(diào)基因，結(jié)合細胞色素C相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了上調(diào)基因?qū)?yīng)的實驗組培養(yǎng)條件下的EET基因通路與下調(diào)基因?qū)?yīng)的對照組培養(yǎng)條件下的EET基因通路。通過這種方法可以獲得特異性條件下的EET相關(guān)的基因調(diào)控通路，研究特異性