Multistep conversion of cresols by phenol hydroxylase and 2,3-dihydroxy-biphenyl 1,2-dioxygenase

A mulfistep conversion system composed of phenol hydroxylase （PHrND） and 2,3-dihydroxy-biphenyl 1,2-dioxygenase （BphCLA_4） was used to synthesize methylcatechols and semialdehydes from o- and m-cresol for the first time. Docking studies displayed by PyMOL predicted that cresols and methylcatechols could be theoretically transformed by this multistep conversion system~ High performance liquid chromatography mass spectrometry （HPLC-MS） analysis also indicated that the products formed from multistep conversion were the corresponding 3-methylcatechol, 4-methylcatechol, 2- hydroxy-3-methyl-6-oxohexa-2,4-dienoic acid （2- hydroxy-3-methyl-ODA） and 2-hydroxy-5-methyl-6-oxo- hexa-2,4-dienoic acid （2-hydroxy-5-methyl-ODA）. The optimal cell concentrations of the recombinant E. coli strain BL21 （DE3） expressing phenol hydroxylase （PHrND） and 2,3-dihydroxy-biphenyl 1,2-dioxygenase （BphCLA_4） and pH for the multistep conversion of o- and m-cresol were 4.0 （g-L-1 cell dry weight） and pH 8.0, respectively. For the first step conversion, the formation rate of 3- methylcatechol （0.29μmol·L-1·min-1·mg-1cell dry weight） from o-cresol was similarly with that ofmethylca- techols （0.28 μmol·L-1·min-1·mg-1 cell dry weight） from m-cresol by strain PHrND. For the second step conversion, strain BphCLA_4 showed higher formation rate （0.83 μmol·L-1·min-1·mg-1 cell dry weight） for 2-hydroxy-3-methyl- ODA and 2-hydroxy-5-methyl-ODA from m-cresol, which was 1.1-fold higher than that for 2-hydroxy-3-methyl- ODA （0.77 μmol·L-1·min-1·mg-1. mglcell dry weight） from ocresol. The present study suggested the potential application of the multistep conversion system for the production of chemical synthons and high-value products.     

靛蓝的微生物合成研究新进展

靛蓝是一种广泛应用于印染、医药等行业的有机色素,利用微生物法合成靛蓝已引起国内外学者的广泛关注.本文综述了微生物法合成靛蓝的研究进展及动态.靛蓝的微生物合成可归纳为3个阶段:野生型微生物催化合成、基因工程菌全细胞催化转化及代谢工程调控转化.多数芳烃降解菌及其编码酶均具备催化吲哚合成靛蓝的能力,采用定向进化、宏基因组技术以及两相体系等对已知酶资源进行深尺度研究,将为靛蓝生物合成过程注入新的活力.同时,靛蓝合成过程中产生的羟基吲哚及靛蓝衍生物是新型药物及化工中间体,也具有较大的研究价值.然而,由于靛蓝合成过程涉及的中间产物及副产物间转化关系及合成脉络仍不明晰,靛蓝产率低,因此将分子生物学及代谢工程手段融入到靛蓝合成机理及产业化应用的探索将成为该方向的研究重点.     

细菌芳烃外二醇双加氧酶研究进展

外二醇双加氧酶(EDOs)是一种多功能细菌芳烃开环氧化酶,在环境保护、化工合成及生物技术等领域中有着巨大的应用潜力.本文综述了EDOs自开发以来的研究成果,包括分类学研究,酶的催化机制,在生物降解、生物合成、生物技术中的应用及其开发改造新技术.EDOs属于3个进化关系相互独立的酶家族,它们利用活性位点金属离子Fe/Mn(II)与底物和氧气结合,通过形成一种烷基过氧化中间产物,使芳香化合物开环断裂.利用这一催化机制,EDOs可以广泛地降解多种环境污染物,同时,某些EDOs还能够参与生物活性物质的合成,并且在生物传感器等生物技术中也有着广泛的应用.近年来,结合宏基因组、杂交酶等技术手段,研究人员开发改造出更多的EDOs资源,旨在为EDOs的深入研究提供更全面的信息.     

芳香化合物羟基化酶研究进展

芳香族化合物的选择性羟基化是合成化学中最具挑战性的化学反应之一,特别是由于近年来羟基芳香族化合物在医学上作为前驱体使用,使其越来越受到重视.通过单一酶或者整个微生物细胞进行的生物催化氧传递,是完成芳香化合物选择性羟基化反应的一种有效方式,不仅在受污染环境的生物修复中作用重大,而且还可以替代并拓宽传统的化工合成工艺,广泛用于化工中间体的生产,这使得芳香化合物羟化酶成为重要的工业用酶之一.本文综述了芳香化合物羟基化酶的种类、作用机理及工业应用等方面的最新研究进展.图5表1参42     

石油污染生物修复研究进展

石油污染多见于油田附近的土壤污染和海上油轮泄漏造成的海域污染,自1970s便出现了利用微生物降解石油污染物的生物修复研究,总结了1970s至今的相关文献发现石油污染生物修复技术受到越来越多的关注,其目前的主要研究方向包括:添加辅助营养物质或辅助乳化剂、石油污染降解过程的生物标记研究、菌株具体降解途径、工程示范研究.而由于石油污染成分复杂,不同微生物可利用的石油底物不同,降解途径也不同,因此传统的石油污染生物修复研究存在效率不高、难以维持等问题,而随着1990s以来分子生物学技术的迅速发展,其在石油污染生物修复中得到越来越多的应用,并有效地提高了修复效率.其应用主要包括以下两方面:(1)在掌握已有石油污染物生物降解途径和降解基因的基础上,研究针对石油污染不同底物的高效降解菌株,构建高效基因工程菌或功能互补的混合菌剂.譬如石油污染物的生物降解过程中,一系列的加氧酶/羟化酶起着最重要的作用,其中包括了单加氧酶和双加氧酶等.它们一般作用于降解的加羟基或后续的开环过程.而不同的脱氢酶、脱羧基酶、辅酶A连接酶等,则对底物加氧后的降解起着重要作用.因此本文重点分析整理了一系列典型石油污染物降解途径中的加氧酶及其参考菌株.(2)由于下游多态性分析方法的进步,越来越多的研究利用PCR对修复过程中群落的重要降解基因进行扩增,譬如对芳烃开环有重要作用的儿茶酚1,2-双加氧酶(C120)、儿茶酚2,3-双加氧酶(C23O)以及对长链烷烃降解起作用的alkB,alkM等基因,并进而应用rDNA扩增及限制性位点分析、梯度凝胶电泳、末端限制性片段长度多态性分析等方法监测研究石油污染的生物降解过程.本文总结了近年来石油污染修复中应用上述方法的研究,为今后的石油污染生物修复工作提供参考.     

一株苯胺降解菌的分离鉴定及其降解特性

为研究苯胺污染的生物控制,通过驯化培养,从南京化工厂污水处理厂的活性污泥中分离出一株高效苯胺降解菌——菌株AN4.生理生化试验鉴定菌株AN4为金黄杆菌属(Chryseobacterium sp.).菌株AN4利用苯胺生长和降解苯胺的最适温度为30 ℃、pH为7.0,它可在苯胺质量浓度低于3 000 mg/L的无机盐固体培养基上生长.菌株AN4除可降解苯胺外,还可以苯酚、苯甲酸、硝基苯、甲苯、萘、氯苯、二甲苯作为唯一碳源生长,蛋白胨可加速其对苯胺的代谢.代谢机制研究证实,菌株AN4在邻苯二酚1,2-双加氧酶作用下经邻位裂解途径降解苯胺.     

嗜吡啶红球菌多氯联苯降解基因的克隆与表达

建立了多氯联苯/联苯降解菌嗜吡啶红球菌 R04 的基因组文库.活性筛选得到 1 个18kb的阳性片断,内含 1个 921个核苷酸的新的开环酶2,3-二羟基联苯双加氧酶基因 bphC2,该基因能够在大肠杆菌中表达,其蛋白分子量约为34kDa.此外,在该基因上游39bp处还发现另外一个 2,3-二羟基联苯双加氧酶基因 bphC1 的部分序列.     

Porphyrobacter sp.D22F的降解特性及其在石油降解菌群中的生态位

为揭示多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)降解微生物资源的多样性和石油降解菌群的优势菌,研究了从南海沉积物中分离得到的一株PAHs降解菌D22F的降解特性及其在石油降解菌群D22-1中的生态位.对菌株D22F进行16S rRNA基因同源性分析及透射电镜观察以初步确定其种属,通过培养法、气相色谱质谱联用(GC-MS)测定其多环芳烃降解范围和降解率,通过简并引物PCR扩增其PAHs双加氧酶大亚基基因片段并进行系统发育分析,采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)监测石油降解菌群中的优势菌.结果表明,与菌株D22F的16S rRNA基因相似度最高的模式株为产卟啉杆菌属Porphyrobacter tepidarius DSM 10594T(AF465839;98.55%).该菌株能降解萘、甲基萘、苊、硫芴、菲、蒽等;对初始浓度为0.2 g/L菲10 d后的降解率可达90%以上.从其基因组DNA中克隆到的PAHs起始双加氧酶大亚基基因phnAc与Novosphingobium aromaticivorans DSM 12444中的质粒pNL1(CP000676)上的bphA1f基因相似度最高,达到99.41%.DGGE谱图显示,菌株D22F是石油降解菌群中的3种优势菌之一,在传代菌群中可稳定存在.Porphyrobacter sp.D22F为产卟啉杆菌属(Porphyrobacter)中首株以低分子量PAHs为唯一碳源和能源的菌株,是石油降解菌群的优势菌.     

恶臭假单胞菌DLL-E4对硝基苯酚降解途径关键基因pnpC的突变分析

通过同源重组成功地敲除了恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)DLL-E4菌株的偏三苯酚1,2-双加氧酶基因(pnpC).pnpC插入失活菌株DLL-△pnpCl失去了降解对硝基苯酚(PNP)和对苯二酚(HQ)的能力,而pnpC敲除菌株DLL-△pnpC恢复了利用PNP和HQ的能力,但是降解速率降低.在不同硫酸铵分级梯度下PNP和邻苯二酚分别诱导的DLL-E4和DLL-△pnpC粗酶液对邻苯二酚的降解活性存在明显差异,表明恶臭假单胞菌DLL-E4中除pnpC参与PNP降解代谢过程外,还存在另一个双加氧酶替代了敲除的pnpC的功能,使得DLL-△pnpC代谢PNP的过程得以继续.     

金属离子对赤红球菌(Rhodococcus ruber L9)降解芘的影响及其作用机制

实验室从石油污染土壤中筛选得到一株高效芘降解菌,命名为赤红球菌(Rhodococcus ruber L9),分析了不同浓度Fe~(3+)、Ca~(2+)、Cu~(2+)、Mn~(2+)对该菌降解芘效果的影响.结果发现,0.45 mmol·L~(-1) Fe~(3+)对芘的降解率有明显促进作用,6d时芘降解率最高,可达77%,相较于不加金属离子时提升了约30%.进一步研究发现,当Fe~(3+)存在时,芘降解过程中蛋白总量变化、邻苯二酚1,2-双加氧酶(C120)和邻苯二酚2,3-双加氧酶(C230)酶活性的变化与Fe~(3+)和Fe~(2+)在胞内、胞外浓度的变化密切相关,主要原因是Fe~(3+)的存在,能诱导赤红球菌合成更多与芘降解有关的蛋白,且可以作为酶的活性中心提高酶的活性,从而大幅提高芘的降解效率.