项目文章 | 大连理工大学对细菌降解氧化石墨烯机理研究

氧化石墨烯（GO）是一种新型的纳米材料，具有独特的物理化学性质和多种用途，但会对人类和环境构成潜在风险。本文为鹿明生物合作客户大连理工大学曲媛媛博士团队在Water Research环境科学与生态学一区杂志（IF=7.913）发表题为“A novel environmental fate of graphene oxide: Biodegradation by a bacterium Labrys sp. WJW to support growth”的研究论文，该研究结合基因组和蛋白质组学分析探索与GO降解相关的蛋白质，共鉴定到644种蛋白差异表达。生物信息学分析表明，部分上调的蛋白质与氧化、环裂解和中间体跨膜过程有关，GO可能被降解为苯甲酸酯，并在下游过程进一步降解。这项研究为GO的环境命运提供了新的见解。

•1.细菌降解氧化石墨烯的研究；

•2.Labrys sp.WJW可以使用氧化石墨烯作为唯一的碳源进行生长；

•3.探索了与氧化石墨烯降解相关的蛋白质；

•4.氧化石墨烯降解为苯甲酸盐，并在下游过程中进一步降解；

石墨烯是石墨的单原子平面，由于其独特的物理化学性质，被认为是科学界的革命性材料。近年来，GO对人类健康和环境的潜在风险已引起广泛关注。体外实验中观察到GO的细胞凋亡，形态变化和氧化应激。体内实验表明GO具有肺毒性，氧化应激和血栓毒性。碳基纳米材料的生物降解是一种可行而有效的方法。然而当GO进入环境后，可以推测是微生物起到主要的转换作用，但尚无微生物降解GO的报道。

1. 分离鉴定降解GO的菌株WJW及菌株相关特性

从暴露于GO的天然土壤中获得了一种名为WJW的细菌菌株，该菌株可以利用GO作为唯一碳源进行生长。WJW菌株的16S rRNA基因序列与几种Labrys菌株具有高度相似性，因此鉴定为Labrys sp.WJW。生存曲线表明菌株WJW可以使用GO作为唯一碳源生长，并在接种后约8-10天达到固定相。AFM和TEM实验均表明WJW菌株孵育过程中在GO的基面上产生了孔。

图1 | WJW菌株孵育后的氧化石墨烯的TEM显微照片

2.鉴定GO降解中的中间体

为了深入研究GO生物降解的代谢机理，使用GC-MS和LC-TOF-MS技术鉴定中间体，鉴定到几种中间体是具有苯甲酸和苯酚结构的芳香族化合物。GO的基面上存在可见的孔以及溶液中的中间体表明，片段和分子首先从GO上剥落下来，然后进一步降解，检测到的多种中间体说明了细菌降解过程的复杂性。

图2 | 鉴定GO降解中的中间体

3.基因测序及蛋白质组学分析

基因测序注释了127个基因用于基因组中芳香族化合物的代谢，注释了227个CDS（candidate protein-coding sequences）用于膜运输，部分解释了其对GO的降解能力。通过比较处理组（GO和甘油作为碳源）与对照组（甘油作为碳源）进行蛋白质组分析，鉴定到124种上调蛋白，部分上调的蛋白质与氧化、环裂解和中间体跨膜有关。

图3 | 基因测序及蛋白质组学分析

本文通过对暴露于GO的天然土壤筛选后，成功获得了一种新型细菌Labrys sp.WJW，它能够将GO当做唯一的碳源进行生长。结合基因组和蛋白质组学分析探索与GO降解相关的蛋白质，共鉴定到644种蛋白差异表达。生物信息学分析表明，部分上调的蛋白质与氧化、环裂解和中间体跨膜过程有关，GO可能被降解为苯甲酸酯，并在下游过程进一步降解。这项研究为GO的环境命运提供了新的见解。

该研究从土壤样品中筛选出一种以GO作为唯一碳源生长的细菌菌株。随着GO应用的不断增加及其向环境中的释放，细菌生物降解因低成本和良好的环境相容性而受人关注。GO生物降解的机理将为材料生产和改性提供指导，以保持其结构稳定性，从而更安全地使用。

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文献参考

Yuanyuan, Qu, et al. A novel environmental fate of graphene oxide: Biodegradation by a bacterium Labrys sp. WJW to support growth[J]. Water Research, 2018.

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