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粘性生物膜
如果NPs不是由柠檬酸盐封端的怎么办 ?为了捕捉更多种类的NP,无论封端还是不封端的,台北美国学校2017年iGEM团队采用了一种不针对任何NP的具体特征的一般方法。 他们最初受到了使用水母粘液在短时间混合后捕获并从水中取出金纳米粒子的研究的启发。 然而,由于很少有会对这种新用途的研究,难以找到水母粘液的基因序列数据。
之后的工作很快转向另一种由许多细菌自然产生的粘性物质:生物膜中的胞外聚合物(EPS)。生物膜是由细胞外聚合物(EPS)组成的微生物群落,它由不同的多糖,蛋白质和脂质组成(Donlan 2002)。 最近的研究表明生物膜中的EPS也可以捕获各种NPs(Kaoru等,2015,Nevius等,2012;图3-1),并将其从溶液中拉出,类似于水母粘液(Patwa 等,2015)。
大多数污水处理厂(WWTPs)已经在利用微生物分解和清除废水中的有机成分(Sehar & Naz 2016)。最近越来越多的NP污染物进入污水处理厂对这些微生物和处理过程构成了威胁。 例如,AgNPs具有抗菌作用,其它金属氧化物NPs可以抑制微生物进行硝化等重要过程(Yun & Lee 2017;Walden & Zhang 2016)。 与浮游细菌相比,生物膜几乎是NPs的四倍,增加了它们对NPs在废水中的耐受性(Choi等,2010)。
大肠杆菌通过两个curli操纵子产生生物膜,可以通过OmpR和CsgD两种蛋白来调节。 还有许多调控大肠杆菌生物膜合成的其他调控机制,但是由于生物膜形成通常与诸如尿路感染(UTI)等疾病相关,所以要避免涉及与毒力相关的基因(Fattahi等,2015)。 项目团队还选择使用一种安全和普通的实验室菌株-E。 大肠杆菌K-12-作为基因电路实施的底盘(环境保护机构1977)。 目标是通过组成型过度表达OmpR和CsgD来增加普通实验室菌株大肠杆菌K-12中的生物膜产量。
图3-1使用大肠杆菌生物膜(绿色)来捕获不同大小和成分(粉红色)的纳米粒子。
在大肠杆菌中,生物膜合成主要通过两个curl操纵子介导(Barnhart & Chapman 2006)。 Curli纤维促进细胞表面和细胞 - 细胞粘附,生物膜合成,并且是EPS的主要蛋白质组分(Reichhardt等,2015,Barnhart & Chapman 2006)。 操纵子(csgBA和csgDEFG)控制生物膜形成所必需的六种蛋白质的表达(图3-1)。 CsgA和CsgB是可以聚合形成卷曲纤维的卷曲单体;CsgD是csgBA转录的激活剂(图3-1)。 CsgE,CsgF和CsgG帮助将CsgA和CsgB导出到细胞外。 操纵子csgDEFG可被OmpR蛋白激活,随后所有六种蛋白质的表达增加生物膜的形成(Barnhart & Chapman 2006)。
图3-1两个curli操纵子:csgBA和csgDEFG——直接生物膜合成。 图:Justin Y.
通过过表达CsgD,OmpR234(组成性活性的OmpR的突变形式)或两者来构建三种构建体以上调curli产量。 项目团队从iGEM分发试剂盒中获得所有所需部件:强启动子和强RBS组合(BBa_K880005)以最大化蛋白质生产,强RBS(BBa_B0034),csgD(BBa_K805015),ompR234(BBa_K342003)和双终止子(BBa_B0015) 转录。
图3-2 BBa_K2229100:CsgD的表达,构建包括强启动子,强RBS,csgD和双终止子。 图:Justin Y.
图3-3 BBa_K2229200:OmpR234的表达,构建包括强启动子,强RBS,ompR234和双终止子。 图:Justin Y.
为了最好的表达CsgD和OmpR234(图3-4,BBa_K2229300),在中间体BBa_S05398(ompR234双重终止子)前面插入强RBS(BBa_B0034)以制造BBa_S05399(RBS+ompR234+双终止子)。 最后,在BBa_S05399之前插入BBa_S05397(K880005+csgD)以完成完整的构建体组装(BBa_K2229300)(图3-4)。
图3-4 BBa_K2229300:CsgD和OmpR234的表达,构建包括强启动子,两个强RBS,csgD,ompR234和双终止子。 图:Justin Y.
假设如果过表达CsgD,OmpR234或两者(图3-5),则生物膜产量会上调(按递增顺序)。 CsgD的过表达会导致更多的单体,但是没有转运蛋白将这些单体携带出细胞。 OmpR234的过表达将允许卷曲单体被输出并形成卷曲纤维和生物膜。 最后,当CsgD和OmpR234过表达时,应制备两倍量的单体,并输出以形成更多的卷曲纤维和生物膜。
图3-5 CsgD和/或OmpR234的过表达不同程度地上调curli操纵子。如果过度表达A)CsgD,B)OmpR234或C)两者,生物膜产量会上调(按递增顺序)。 图:Justin Y.
项目展望
本项目的应用目的是去除工业和生活污水中的纳米粒(NP)子。因为随着近年来多种新兴纳米材料的使用普及,NPs在污水中的含量在逐年增加。而虽然NPs具有多种用途,但是脱落的NPs释放到环境当中会给人身健康和生态环境带来潜在的威胁。项目团队同时使用了两种策略,一种是通过识别NPs的封端剂柠檬酸盐在捕获NPs,另一种是通过生物膜在捕获NPs。虽然是高中队伍,但是台北美国学校iGEM出色证明了他们在项目中设计策略的可行性,为未来有效的去除污水中的NPs提供了可行的方案。
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