耐辐射奇球菌课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,耐辐射奇球菌,环境工程,Environmental Engineering,张园园,REPORT BY,Deinococcus radiodurans,1,What,is it?,2,How,to purify?,内 容,What,1,耐辐射奇球菌,概述,Overview of Deinococcus radiodurans,耐辐射奇球菌（,Deinococcusradiodurans,DR,）,是一种极端微生物。,1956,年由美国科学家,Anderson,等首次从,4kGy,电离辐射灭菌后仍然变质的肉类罐头中分离出来，,被“吉尼斯世界记录”收录并誉为是“世界上最顽强的细菌”,。,What,辐照条件下不同生物的生存状况,100,-500mSv,100mSv,What,2000,-4000mSv,4000,-6000mSv,1000,-2000mSv,无影响（,no effect,）。,辐射剂量对人体的伤害,:,100,-500mSv,100mSv,What,2000,-4000mSv,4000,-6000mSv,1000,-2000mSv,轻微影响（,Slight impact,）。,白细胞减少，多无症状表现。,辐射剂量对人体的伤害,:,100,-500mSv,100mSv,What,2000,-4000mSv,4000,-6000mSv,1000,-2000mSv,轻度影响（,Mildly affected,）。,疲劳、呕吐、食欲减退、暂时性脱发，红细胞减少。,辐射剂量对人体的伤害,:,100,-500mSv,100mSv,What,2000,-4000mSv,4000,-6000mSv,1000,-2000mSv,中度影响（,Moderate impact,）。,骨骼和骨密度遭到破坏，红细胞和白细胞数量极度减少，有内出血、呕吐、腹泻症状。,辐射剂量对人体的伤害,:,100,-500mSv,100mSv,What,2000,-4000mSv,4000,-6000mSv,1000,-2000mSv,重度影响（,Severe impact,）。,造血、免疫、生殖系统以及消化道等肝器受影响，甚至危及生命。,辐射剂量对人体的伤害,:,What,1,耐辐射奇球菌,概述,Overview of Deinococcus radiodurans,耐辐射奇球菌,是一种古老的细菌，科学研究表明在,20,亿年前就存在于地球上,。,耐辐射奇球菌,是地球上已知物种中,最耐电离辐射的生物之一,。,对,电离辐射、紫外线、干燥、强氧化剂和一些化学诱变剂,等各种,DNA,损伤介质的致死和突变效应显示惊人的抗性。,How,抗辐射微生物可能的进化机制,:,(1),早期地球环境中存在极强的电离辐射,耐辐射微生物的辐射抗性是在,强烈辐射环境下形成的一种适应能力,；,(2),微生物在,长期的环境,(,如干燥,),胁迫下,或通过物种间的基因水平转移,或经过趋同进化,以不同的进化方式获得了电离辐射的抗性。,1,耐辐射奇球菌,概述,Overview of Deinococcus radiodurans,How,2,耐辐射奇球菌,的形态和生长特性,Morphological and Growth Characteristics of Deinococcus radiodurans,耐辐射奇球菌,的菌落呈,圆形,，直径约在,12 m,之间，好氧，能产生,粉红色色素,，不产孢子。单克隆的菌苔呈凸状，表面光滑，在指数生长期，约,90%,的细菌呈二联体存在；随着细胞分裂，生长后期形成四叠体；在稳定期，绝大多数细菌呈四叠体。其,最适生长温度是,30,，在,37,时生长速度最快。当温度低于,4,或高于,45,时，细胞停止生长。,What,What,3,微生物抗辐射的机理,Mechanism of microbial anti-radiation,(1),微生物细胞本身具有的保护结构,；,(2)DNA,修复机理；,(3),耐辐射奇球菌,修复酶；,(4),耐辐射奇球菌,修复酶；,(5),耐辐射奇球菌,保护酶。,What,细胞壁坚固、细胞膜脂质成分独特,耐辐射奇球菌,细胞具有多层特殊的结构,质膜含有特殊的,磷酸糖脂,而非通常的磷脂,肽聚糖厚度达,1420nm,，形成桥联的氨基酸为,L-,鸟氨酸,肽聚糖外层有,分隔层,，厚度为肽聚糖层的两倍,外膜不包含脂多糖,S,层，由高度有,规律排列的蛋白质,组成，形成六方点格,抗辐射微生物,产生色素吸收辐射能量,，防止辐射对,DNA,或其他细胞物质的损害,微生物细胞本身具有的保护结构,(1),What,耐辐射奇球菌的细胞壁结构,1,、质膜,2,、肽聚糖,3,、分割层,4,、外模,5,、,S,层,6,、荚膜,What,暗修复：,内切核酸酶辨认出,DNA,分子上受损部分，将其切开,外切核酸酶切除二聚体,DNA,部分,DNA,聚合酶以完整的,DNA,链为模板，将缺口补上,连接酶将新复制的,DNA,链连接起来,光修复：在可见光下,光复活酶,作用于紫外线引起的,T-T,二聚体，将二聚体打开。,DNA,修复机理,(2),What,快修复,：在,DNA,聚酶,作用下，修复由很快修复后剩下的断裂的单链,DNA,。,超快修复,：单链断裂部分在,DNA,连接酶作用下极快的修复,慢修复,：利用重组修复系统修复快修复所不能修复断裂的单链,DNA,。,修复由电离辐射引起的,DNA,损伤,(3),What,抗辐射微生物中含有,内切核酸酶,和内切核酸酶,，它们能修上千个碱基断裂的,DNA,片段。,耐辐射奇球菌,修复酶,(4),What,抗辐射微生物中含有,活力很高的,SOD,、,CAT,、,POD,，能有效的清除辐射间接作用产生的大量自由基，保护细胞免受侵害。,耐辐射奇球菌,保护酶,(5),What,4,耐辐射奇球菌,代谢产物中的化学成分,Chemical constituents of the metabolites of Deinococcus radiodurans,通过甲醇提取、硅胶柱色谱、重结晶分离纯化,从,耐辐射奇球菌,(Deinococcusradiodurans),代谢产物中分离得到五个化合物,根据光谱数据鉴定为,:,腺嘌呤,(C,5,H,5,N,5,),，胸腺嘧啶,(C,5,H,6,N,2,O,2,),尿嘧啶,(C,4,H,4,N,2,O,2,),腺苷,(C,10,H,13,N,5,O,4,),和,L-,丙氨酸,(C,3,H,7,NO,2,),。,How,1,耐辐射奇球菌,在环境修复中的应用,Application of Deinococcus radiodurans in Environmental Remediation,耐辐射奇球菌,是十分丰富和重要的生物资源,可以直接作为环境修复特别是,核废料的处理工具,或者通过,基因改造构建工程菌株,的方法以提高它们的环境修复能力。,How,1,耐辐射奇球菌,在环境修复中的应用,Application of Deinococcus radiodurans in Environmental Remediation,(1),核废料的处理工具：,耐辐射奇球菌,对低浓度含铀,(),废水有较好的去除效果。在废水,pH=5,、吸附时间为,180 min,、初始浓度为,50 mg/L,的情况下，投加,0.2 g/L,的菌体吸附剂，可达,92.30%,的吸附率,;,随着铀,(),初始浓度的提高，铀吸附率微幅下降，吸附量几乎与铀,(),浓度成正比。,How,1,耐辐射奇球菌,在环境修复中的应用,Application of Deinococcus radiodurans in Environmental Remediation,(1),核废料的处理工具：,印度,Bhabha,原子能研究中心分子生物学部,Appukuttan,等通过构建表达非特异性酸性磷酸酶基因的,耐辐射奇球菌,工程菌,对水中的铀进行沉淀,后认为,应用,耐辐射奇球菌,工程菌沉淀铀是可行的,该微生物对辐射的天然抗性,有利于对低浓度高辐射环境放射性废物的原位生物修复,。,How,1,耐辐射奇球菌,在环境修复中的应用,Application of Deinococcus radiodurans in Environmental Remediation,(2),基因改造构建工程菌株：,将,重金属抗性基因,转化到,耐辐射奇球菌,中构建工程菌,能够将放射性废物中的重金属转变为,毒性较低的溶解度较低的化合物形式,。,How,1,耐辐射奇球菌,在环境修复中的应用,Application of Deinococcus radiodurans in Environmental Remediation,(2),基因改造构建工程菌株：,实际案例：插入,汞抗性基因,merA,的,耐辐射奇球菌,工程菌能够在放射性与,Hg(),浓度都高于放射性废物堆放点的相应值的条件下正常生长,而且同时能够有效地,将,Hg(),还原为毒性较低的近于惰性的单原子的挥发性的,Hg(0),。,How,1,耐辐射奇球菌,在环境修复中的应用,Application of Deinococcus radiodurans in Environmental Remediation,利用微生物对高放射性环境的污染进行处理时要考虑两个问题：,(1),在高放射性环境中微生物,能否正常发挥其催化功能,；,(2),如何保证微生物在进行生物修复时,不会产生意想不到的威胁大众安全或者破坏环境的次级效应,。,How,2,生物芯片分析结果表明，辐射和干燥胁迫都会诱导一些与修复有关的相同基因的高表达，抗辐射微生物都具有抗干旱的能力。抗辐射微生物中含有丰富的基因资源,具有应用于,作物抗干旱研究的潜在价值,。,农作物抗旱育种：,crop drought resistance breeding,How,2,农作物抗旱育种：,crop drought resistance breeding,(1),生物芯片分析结果表明,辐射和干燥胁迫,都会诱导一些与,DNA,修复有关的相同基因的高表达,；,(2),耐辐射奇球菌,抗干燥的特点应归因于其在干燥脱水的过程中,限制了蛋白质的氧化,因此造成了它对干燥的抗性。,How,3,动植物抗病育种,Animal and plant disease resistance breeding,Monsanto,公司已将,枯草芽孢杆菌,(B acillus subtilis),的冷激蛋白基因,(csp B),在植物中表达,提高了其干旱抗性。,2009,年本研究室将,D.radiodurans,调控因子,irrE,基因在油菜中表达后明显提高了,转基因油菜的耐盐性,(,达到,350 mmol/L NaCl),。,How,3,动植物抗病育种,Animal and plant disease resistance breeding,Monsanto,公司已将,枯草芽孢杆菌,(B acillus subtilis),的冷激蛋白基因,(csp B),在植物中表达,提高了其干旱抗性。,2009,年本研究室将,D.radiodurans,调控因子,irrE,基因在油菜中表达后明显提高了,转基因油菜的耐盐性,(,达到,350 mmol/L NaCl),。,How,3,动植物抗病育种,Animal and plant disease resistance breeding,DR1709,属于,Nramp,家族,。,Nramp,属于一个古老的膜整合转运蛋白家族。,Nramp1,基因通过将这些金属离子运出内吞小体而使细菌无法合成防御酶系,从而活性氧杀死细菌,使细胞抗菌,Nramp1,决定了,巨噬细胞通过转运金属离子如,Mn(),或,Fe(),从而使动物抗病菌侵染,。,How,3,动植物抗病育种,Animal and plant disease resistan