5月15日，國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Hazardous Materials 刊發(fā)了題為“Threonine dehydratase enhances bacterial cadmium resistance via driving cysteine desulfuration and biomineralization of cadmium sulfide nanocrystals”的文章，報(bào)道了中科院海洋所孫超岷課題組發(fā)現(xiàn)能單獨(dú)介導(dǎo)硫化鎘納米顆粒形成的深海微生物酶的研究成果。該成果發(fā)現(xiàn)一株深海假單胞菌所產(chǎn)生的蘇氨酸脫水酶演化出了半胱氨酸脫硫酶活性，在半胱氨酸及鎘離子存在的反應(yīng)體系中該酶能單獨(dú)介導(dǎo)硫化鎘納米顆粒的高效形成，不需要微生物的參與。
硫化鎘納米顆粒具有光吸收和自發(fā)熒光特性，在光催化、光學(xué)應(yīng)用和生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并成為當(dāng)今納米材料科學(xué)的前沿?zé)狳c(diǎn)。該研究成果提升了硫化鎘納米顆粒形成的效率，簡化了生產(chǎn)程序，為生物合成硫化鎘納米顆粒提供了新方法和新型生物酶資源，也為解釋深海微生物特殊環(huán)境適應(yīng)機(jī)制提供了理論依據(jù)。
重金屬鎘在深海環(huán)境中廣泛存在，深海微生物進(jìn)化出了成熟且多樣的鎘耐受機(jī)制以維持在鎘環(huán)境中的生長和繁殖。與此同時(shí)，環(huán)境中與鎘共存的化合物如半胱氨酸可顯著影響深海微生物的鎘抗性。在研究一株深海假單胞菌鎘耐受機(jī)制的過程中，發(fā)現(xiàn)半胱氨酸的存在可以有效促進(jìn)細(xì)菌形成硫化鎘納米顆粒，進(jìn)而顯著提高細(xì)菌的鎘抗性和脫除率（圖1）。通過蛋白質(zhì)組學(xué)和基因敲除等方法發(fā)現(xiàn)該菌產(chǎn)生的蘇氨酸脫水酶（threonine dehydrase, TD）具有半胱氨酸脫硫酶活性，該酶通過催化半胱氨酸脫硫生成硫化氫來參與細(xì)菌的鎘耐受過程。通過TD的異源表達(dá)和分離純化進(jìn)一步確定了重組蘇氨酸脫水酶（rTD）在胞外仍具有半胱氨酸脫硫酶活性，并分析了其催化反應(yīng)的過程。
圖1 半胱氨酸能有效提升深海假單胞菌形成硫化鎘顆粒及鎘耐受能力
rTD催化的半胱氨酸脫硫過程分為兩步：首先半胱氨酸和水反應(yīng)生成L-絲氨酸和硫化氫，進(jìn)而L-絲氨酸進(jìn)行脫氨作用生成丙酮酸和氨氣（圖2）。最后，研究人員建立了硫化鎘納米顆粒生物合成單酶體系，該體系以rTD作為催化酶、以半胱氨酸作為硫供體、以氯化鎘作為鎘供體，可高效催化硫化鎘納米顆粒的合成（圖3）。其中rTD除了作為催化酶控制反應(yīng)進(jìn)程之外，還具有包被物的作用，能夠控制硫化鎘納米顆粒的形成速度和顆粒粒徑，該研究成果已申請國家發(fā)明專利。值得一提的是，該株假單胞菌分離自“科學(xué)號”從海山采集的樣品，還具有良好的汞脫除能力，能產(chǎn)生抑制多重耐藥性銅綠假單胞菌生物膜形成的多糖，在環(huán)境保護(hù)和生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有良好應(yīng)用潛力。
圖2 蘇氨酸脫水酶催化半胱氨酸介導(dǎo)硫化鎘納米顆粒形成的過程
圖3 構(gòu)建蘇氨酸脫水酶介導(dǎo)硫化鎘納米顆粒形成的單酶體系
中科院海洋所博士研究生馬寧為第一作者，孫超岷研究員為通訊作者。研究得到了大洋協(xié)會(huì)“深海生物資源計(jì)劃”及中科院海洋大科學(xué)中心前沿部署等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
相關(guān)論文：
Ning Ma, Ruining Cai, Chaomin Sun*. Threonine dehydratase enhances bacterial cadmium resistance via driving cysteine desulfuration and biomineralization of cadmium sulfide nanocrystals. Journal of Hazardous Materials, 2021, Doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126102.
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389421010669
