揭秘耐碲芽孢杆菌 3W19 的代谢响应：生物修复的新希望

《Scientific Reports》：Metabolic response of tellurite resistant Bacillus altitudinis strain 3W19 highlights the potential as a model organism for bioremediation

为探究细菌对碲（IV）的分子响应机制及生物修复潜力，研究人员对 Bacillus altitudinis 菌株 3W19 展开研究。结果发现其在 Te (IV) 存在时，代谢途径改变，ter 基因簇过表达。这为生物修复策略的开发提供了理论依据。

　　在环境科学与微生物学的交叉领域，碲（Te）作为一种在工业中需求日益增长的准金属元素，正引发越来越多的关注。随着其在光伏、热电生产及冶金等行业的广泛应用，碲在自然环境中的可溶性形式不断增加。然而，与同化学族的其他元素相比，微生物在碲或其离子存在下的生化研究相对匮乏。碲的含氧阴离子对细菌和其他微生物具有较高毒性，这使得探究耐 Te (IV) 生物体的解毒机制，成为开发生物修复策略的关键所在。在此背景下，来自葡萄牙科英布拉大学（University of Coimbra）和丹麦哥本哈根大学（University of Copenhagen）的研究人员，针对 Bacillus altitudinis 菌株 3W19 展开深入研究，相关成果发表于《Scientific Reports》。

研究人员采用了多种关键技术方法。在基因组层面，对菌株进行测序和注释，确定其遗传信息；通过系统发育分析明确菌株分类地位。在蛋白质层面，运用蛋白质提取、消化和质谱技术分析蛋白质表达差异；利用蛋白质注释和统计分析筛选出与 Te (IV) 响应相关的蛋白质。在基因表达层面，进行 RNA 提取、纯化和 qRT-PCR，验证特定基因的表达变化 。

研究结果如下：

• 菌株鉴定与抗性测定：通过对菌株 3W19 的基因组测序分析，确定其为 Bacillus altitudinis，与模式菌株 Bacillus altitudinis DSM 21,631 的平均核苷酸同一性（ANI）达 98.83%。该菌株能在 0.5 mM Te (IV) 浓度下生长，高于此浓度时，其生长速率显著下降。
• 基因组注释与 Te (IV) 抗性基因分析：3W19 菌株基因组为 3.7 Mb，包含 3719 个编码序列（CDS）区域、3782 个基因等。其中，ter 基因簇包含 terA/B/C/D/E/Z 等元素，其结构与其他芽孢杆菌属菌株不同，具有独特的基因排列和额外的假定 Te (IV) 抗性决定因子。
• 差异蛋白质组学分析：构建参考蛋白质组，对比有无 Te (IV) 条件下的蛋白质组差异。发现有 65 种蛋白质丰度显著增加，97 种显著减少，且存在一些仅在 Te (IV) 存在时出现或未检测到的蛋白质。Te (IV) 处理使氨基酸代谢和膜转运相关代谢途径上调，碳水化合物代谢途径下调。
• Te (IV) 抗性基因的表达调控：qRT-PCR 结果显示，在 0.5 mM Te (IV) 存在下，terD1、terD2 和 terD3 基因的表达显著增加。PromPredict 和 BPROM 分析表明，ter 基因可能存在个体启动子，其组织形式是否为操纵子还需进一步研究。
• 细胞内 Te (IV) 影响及代谢适应：Te (IV) 会诱导菌株产生活性氧（ROS），但 3W19 菌株能在 5 小时内将细胞内 ROS 水平降低至对照水平或更低。在代谢方面，Te (IV) 存在时，菌株对葡萄糖的消耗在前期较慢，但最终消耗总量更多；补充氮源（如 2 g/L 和 5 g/L 的酪蛋白氨基酸）能缓解 Te (IV) 对菌株生长的抑制作用。

研究结论和讨论部分指出，Bacillus altitudinis 菌株 3W19 对 Te (IV) 具有高度抗性，其在 Te (IV) 存在时，通过多种机制应对毒性，包括维持细胞膜和蛋白质的稳定性、激活 Ter 基因簇、调整代谢途径等。该菌株的 ter 基因簇结构独特，包含额外的假定 Te (IV) 抗性决定因子，在生物修复中可能具有重要作用。其代谢调整表现为碳水化合物代谢减少、氨基酸代谢增加，同时通过氧化还原酶维持还原巯基池，以适应 Te (IV) 胁迫。这些发现为理解细菌对 Te (IV) 的抗性机制提供了新视角，也为生物修复策略的开发提供了有价值的参考，确立了 B. altitudinis 3W19 作为生物修复应用的最佳模型生物的潜力。