Изменение внутриклеточной экспрессии белков как ключевой механизм ухудшения бактериальной денитрификации, вызванного наночастицами оксида меди

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15824 (2015) Цитировать эту статью

3243 Доступа

81 цитат

Подробности о метриках

Увеличение производства и использования наночастиц оксида меди (НЧ CuO) приводит к выбросам в окружающую среду. Однако влияние НЧ CuO на бактериальную денитрификацию, один из наиболее важных путей превращения нитрата в динитрог в окружающей среде, изучалось редко. Здесь мы сообщили, что НЧ CuO вызвали значительное изменение экспрессии ключевых белков модельного денитрификатора Paracoccus denitrificans, что привело к серьезному ингибированию денитрификации. Общая эффективность удаления азота снизилась с 98,3% до 62,1% при увеличении НЧ CuO с 0,05 до 0,25 мг/л. Исследования клеточной морфологии и целостности показали, что наночастицы проникли в клетки. Протеомный биоинформатический анализ показал, что НЧ CuO вызывают регуляцию белков, участвующих в азотистом обмене, переносе электронов и транспорте веществ. Снижение уровня экспрессии белка GtsB (отвечающего за транспорт глюкозы) снижает выработку НАДН (донора электронов для денитрификации). Кроме того, экспрессия ключевых белков-переносчиков электронов (включая НАДН-дегидрогеназу и цитохром) подавлялась НЧ CuO, что отрицательно влияло на перенос электронов при денитрификации. Дальнейшие исследования показали, что НЧ CuO значительно ингибируют экспрессию и каталитическую активность нитратредуктазы и нитритредуктазы. Эти результаты обеспечили фундаментальное понимание негативного влияния НЧ CuO на денитрификацию бактерий.

Круговорот азота, один из основных биогеохимических циклов в биосфере, осуществляет трансформацию азота в различных формах в атмосфере, воде, суше и организмах. Процесс денитрификации, в ходе которого нитраты преобразуются в диазот и возвращаются элементы азота в атмосферу, имеет большое значение для тесной связи с глобальным изменением климата, качеством воды и здоровьем экосистем1. Как наиболее широко распространенный исполнитель денитрификации, денитрифицирующие бактерии восстанавливают нитраты посредством ряда биологических процессов. Метаболические реакции денитрифицирования в конечном итоге контролируются различными функциональными белками, такими как белки переноса электронов и денитрифицирующие ферменты. Сообщалось, что экспрессия этих белков определяет клеточный метаболизм денитрификаторов2,3.

Благодаря быстрому развитию нанотехнологий инженерные наноматериалы нашли широкое применение в различных областях, таких как биомедицина, синтез материалов и химический катализ4,5. Сообщалось, что наноматериалы могут оказывать негативное воздействие на клетки человека6,7,8, растения9 и модельные бактерии10. В частности, благодаря выдающимся антимикробным свойствам наночастицы оксида меди (НЧ CuO) широко применяются в антимикробном текстиле, консервации древесины, противообрастающих красках и сельскохозяйственных биоцидах11,12. Сообщалось, что мировое производство НЧ CuO составило 570 тонн в 2014 году, а прогнозируемое производство составит 1600 тонн к 2025 году13. Следовательно, рост производства и использования НЧ CuO приводит к их преднамеренным или непреднамеренным выбросам в окружающую среду14. Хотя токсичность НЧ CuO для некоторых модельных организмов, таких как клетки человека или водоросли, широко изучалась15,16, основная причина была связана с генерацией активных форм кислорода (АФК)4, которые могли привести к повреждению ДНК или регуляция генов9,15. Хорошо известно, что белки, конечные продукты экспрессии генов, являются конечными исполнителями специфических биологических процессов, таких как катализ метаболических реакций и транспорт веществ. Следовательно, как только экспрессия белков будет значительно затронута, рост и глобальные метаболические процессы будут изменены17.

Во время денитрификации внеклеточный источник углерода (например, глюкоза) должен быть транспортирован в клетки, прежде чем он будет использован для роста микроорганизмов и денитрификации18,19,20. Хорошо известно, что процесс транспортировки глюкозы осуществляется за счет взаимодействия нескольких важных белков, таких как белок, связывающий растворенные вещества (GtsA), белок внутренней мембраны (GtsB и GtsC) и АТФ-связывающий белок (MalK)21. Более того, бактериальная денитрификация представляет собой серию последовательных окислительно-восстановительных реакций, основанных на переносе электронов. В цепи переноса электронов электроны последовательно доставляются белками-переносчиками электронов, такими как цитохром bc1, цитохром c и денитрифицирующие ферменты22. Кроме того, четыре ключевых денитрифицирующих фермента: нитратредуктаза (NAR), нитритредуктаза (NIR), редуктаза оксида азота (NOR) и редуктаза закиси азота (N2OR) последовательно катализируют реакции восстановления нитрата до азота. Предыдущие исследования показали, что изменения ключевых белков-переносчиков электронов или денитрифицирующих ферментов влияют на эффективность денитрификации23,24,25. Однако влияние сконструированных наноматериалов на экспрессию и функции внутриклеточных функциональных белков денитрифицирующих бактерий документируется редко.