尼古丁代谢酶Pno电子传递的研究和尼古丁转化工程菌的应用

尼古丁代谢酶Pno电子传递的研究和尼古丁转化工程菌的应用烟草是重要的经济作物,但其生产过程中会产生大量的含有尼古丁的废弃物。因为尼古丁是一种具有毒性的含氮杂环化合物,这些含有尼古丁的废弃物如果处理不当,会污染环境并影响人类健康。因此,必须开发有效的技术来处理或回收利用烟草废弃物。在多数情况下,与物理和化学方法相比,微生物可以更高效、更经济地无害化处理有毒化学品。据文献报道已发现多种微生物可以降解代谢尼古丁,比如本论文使用的AgrobacteriumtumefaciensS33可以通过新型的吡啶途径和吡咯途径的“杂合途径”氧化降解尼古丁,进而以尼古丁为唯一碳源、氮源和能源生长。在该途径中,吡啶环被开环分解之前至少有六个步骤是氧化还原反应,S33通过这六个氧化还原反应将电子从尼古丁及其中间代谢物沿着电子传递链(ETC)传递到最终的电子受体02,最终通过氧化磷酸化合成ATP获得能量。在这六个氧化反应中,催化第四步反应(6-羟基假氧化尼古丁氧化脱氨生成6-羟基-3-琥珀酰半醛吡啶)的6-羟基假氧化尼古丁氧化酶Pno的生理电子受体仍不清楚。此外,该途径中一些中间代谢物可以作为底物进一步化学合成一些有价值的药物,如6-羟基尼古丁,这为资源化利用烟草废弃物和尼古丁提供了新途径。因此,本论文主要对A.tumefaciensS33降解尼古丁途径中的关键酶6-羟基假氧化尼古丁氧化酶(Pno)的电子传递及利用工程菌转化尼古丁生产6-羟基尼古丁进行了探究,具体内容如下:人工电子受体2,6-二氯酚靛酚(DCPIP)在实验室前期被用作Pno的电子受体测试了Pno催化6-羟基假氧化尼古丁氧化脱氨的反应。为了方便实验,本论文首先尝试了Pno对假氧化尼古丁(6-羟基假氧化尼古丁的类似物)的催化性质,并用其替代真正底物开展实验。进一步通过生化分析、遗传分析和LC-MS分析来确定Pno可利用电子转移黄素蛋白(EtfAB)作为生理电子受体催化假氧化尼古丁脱氨生成3-玻珀酰半醛吡啶。在此过程中,NAD(P)+、O2和铁氧还蛋白不能作为电子受体发挥作用。同时,利用18O标记的底物证实产物3-琥珀酰半醛吡啶中的醛基氧原子来自H2O。对尼古丁降解基因簇上etfAB基因的敲除降低了A.tumefaciensS33在尼古丁培养基中的生长速率,但其在HSP(6-羟基-3-玻珀酰吡啶,S33降解尼古丁杂合途径下游的一种中间代谢物)培养基中的生长情况没有受到明显影响,这表明EtfAB在菌株S33高效降解尼古丁的过程中起到了重要的作用。进一步的实验发现在电子转移黄素蛋白:泛醌氧化还原酶(Euo)的催化下,电子可从还原态EtfAB进一步转移到辅酶Q。这些结果有助于深入了解尼古丁氧化降解途径涉及的电子转移过程和能量代谢,为细菌分解代谢尼古丁提供了新见解。此外,实验室前期构建了敲除了6-羟基尼古丁氧化酶Hno编码基因的工程菌S33-△hno,本论文利用该工程菌进行了将尼古丁转化为有价值的化合物6-羟基尼古丁的全细胞转化实验。在最适条件(30℃、pH7.0、初始尼古丁浓度为1.0g/l)下,以含0.1g/1HSP的葡萄糖铵盐培养基30℃培养24小时获得的细胞作为生物催化剂,进行分批转化和分批补料细胞转化反应实验。分批转化中每批次发酵的摩尔转化率达到95%;分批补料转化中最终摩尔转化率高达98.4%。回收产物的回收率为76.9%,产率可达83.9%。综上,本论文通过对EtfAB和Euo进行的异源表达、纯化和酶反应测定,发现Pno以EtfAB作为生理条件下的电子受体,且可进一步通过Euo的催化将电子转移到CoQ,进而沿ETC传递给02,该结果说明Pno是一个脱氢酶而非氧化酶,因此我们将Pno更名为6-羟基假氧化尼古丁脱氢酶。本研究完善了A.tumefaciensS33氧化降解尼古丁的“杂合途径”,同时也为深入了解细菌氧化降解尼古丁过程中的电子