产电微生物Geobacter菌毛蛋白导电功能分析

摘要

产电微生物，在外界电子受体不能进入细胞的情况下，它们能够将呼吸链延伸到细胞外，将电子传递到胞外受体。如果以人工电极作为胞外电子受体，则可以构成微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)。MFC可以将有机物直接转化为电能，提供一种清洁的可再生能源，在产生电能的同时降解工业和生活废水中的有机物质，起到环境保护的作用。同时，借助于胞外电子转移，可以促进环境中毒性或放射性金属污染物质的还原，从而实现环境的生物修复。胞外电子转移也是实现能源物质制造的新途径。最新研究发现一些产电微生物，如硫还原地杆菌能利用具有金属导电性的菌毛进行胞外电子转移，但是菌毛的导电机制尚未明确。
　　本文利用PilFind算法和聚类分析预测和识别导电菌毛的同源蛋白，运用多序列比对工具MAFFT对地杆菌菌毛蛋白的序列特征进行分析，使用MEME预测的菌毛相关模体，比较分析QUARK预测出的蛋白三级结构的特性。通过构建物种进化树和基因进化树，探索导电菌毛的进化源头。
　　从测序完全的9个地杆菌和2个粘土杆菌基因组中（＞42000个蛋白质）预测出183条具有菌毛特征的候选蛋白。聚类分析后识别出包括GSU1496在内的11条同源的a类四型菌毛主蛋白，其中5条蛋白注释未知，与硫还原地杆菌拥有类似长度的短菌毛蛋白有7条。另外使用PSI-BLAST在地杆菌和粘土杆菌基因组中预测出七条GSU1497的同源基因。分析菌毛同源蛋白的连锁关系，发现GSU1496和GSU1497的同源基因在具有短菌毛的菌种中一一对应，且拥有很高的线性保守性。菌毛蛋白与导电相关的序列特征有:+1、+24和+27位的芳香族氨基酸高度保守，而+32、+51和+57位芳香族氨基酸位点却存在差异，+57位的赖氨酸处在高度可变的菌毛蛋白C端区域，可能对菌毛导电具有重要的作用。结构特征分析发现GSU1497及其同源蛋白之间虽然序列一致性不高，但是预测的二级结构却表明它们在结构上具有较高的相似性:GSU1497具有一段四个连续反平行的β折叠结构，球状外形也与四型菌毛蛋白的C端结构有很强的相似性。模体分析发现GSU1497及其同源蛋白以及长菌毛的C端部分拥有一个保守的序列模体:正常菌毛球状C端的β曲折结构。构建物种进化树和基因进化树，发现地杆菌和粘土杆菌的短菌毛和长菌毛在物种进化上形成了不同的分支，唯一通过实验证明具有金属导电性菌毛的两个菌种G.sulfurreducens.PCA和G.metallireducens GS-15分在同一个短菌毛的分支中，脱铁杆菌在菌毛蛋白的进化上与地杆菌具有紧密的联系。这些结果表明导电菌毛蛋白具有特异的序列特征、结构特性和进化源头，有助于我们进一步阐明菌毛的导电机制。

目录

声明

摘要

缩略词表

第一章绪论

1．1．产电微生物

1．1．1．微生物

1．1．2．产电微生物和微生物燃料电池

1．1．3．希瓦氏菌和地杆菌

1．2．产电微生物的电子转移机制

1．2．1．胞外电子转移

1．2．2．导电菌毛与纳米导线

1．3．四型菌毛蛋白

1．3．1．四型菌毛系统与二型分泌系统

1．3．2．四型菌毛的组装模型及其功能

1．3．3．四型菌毛蛋白及其序列结构特征

1．3．4．地杆菌属中的四型菌毛蛋白

1．4．课题的研究内容与方案

1．4．1．课题研究内容

1．4．2．课题研究方案

1．5．论文章节安排

第二章 菌毛蛋白的预测和识别

2．1．四型菌毛蛋白的分类

2．1．1．四型菌毛蛋白的分类

2．1．2．四型菌毛蛋白的共性

2．2．四型菌毛蛋白的预测

2．2．1．微生物基因组的选取

2．2．2．四型菌毛蛋白的预测方法

2．2．3．菌毛蛋白预测结果分析

2．2．4．菌毛蛋白聚类分析

2．2．5．T4a主菌毛蛋白的识别

2．3．地杆菌中GSU1497同源基因挖掘

2．3．1．GSU1497的功能预测和研究进展

2．3．2．GSU1497的同源基因预测

2．4．本章小结

第三章 地杆菌菌毛蛋白的序列与结构分析

3．1．菌毛蛋白的线性排布分析

3．2．菌毛蛋白多序列比对与序列特征提取

3．2．1．常用的多序列比对工具比较

3．2．2．导电菌毛蛋白多序列比对

3．2．3．GSU1497及其同源蛋白多序列比对结果

3．3．GSU1497蛋白质结构的预测分析

3．3．1．GSU1497二级结构预测分析

3．3．2．GSU1497蛋白三级结构预测分析

3．3．3．GSU1497中序列模体的识别和短菌毛的预测

3．4．本章小结

第四章 导电菌毛蛋白进化分析

4．1．分子系统发育分析

4．2．地杆菌物种树的构建和分析

4．3．四型菌毛蛋白基因树构建和分析

4．4．本章小结

第五章 总结和展望

5．1．论文工作总结

5．2．展望

致谢

参考文献

附录

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