以環境賀爾蒙為養分的菌株 – Pseudomonas nitroreducens TX1

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辛基苯酚聚氧乙基醇 (octylphenol polyethoxylate,簡寫為OPEOn) 是工業與家庭用品中常見的表面活性劑,這類化合物被排入環境之後會被降解成多種代謝物,成為干擾生物體內分泌系統的環境賀爾蒙。陽明交通大學微免所黃雪莉老師的研究團隊於先前的研究中發現Pseudomonas nitroreducens TX1 (以下將此菌株以「TX1菌株」代稱) 能在含有OPEOn的環境中生長並將OPEOn作為唯一的碳來源 [1]。此篇研究中,研究團隊透過一系列實驗探討TX1菌株利用OPEOn的代謝機轉 [2]。

研究團隊首先透過實驗證實氧氣與代謝性酵素 (metabolic enzyme) 會參與TX1菌株將OPEOn分解成短鏈的過程。團隊將代謝性酵素進行純化之後,發現此酵素的單體分子量約為 52 kDa,在自然環境下會以二聚體 (dimer) 的形式存在,而且一些金屬離子 (Mn2+、Mg2+、Zn2+、Cu2+) 能提升此酵素的活性。研究團隊進一步透過高性能液相層析串聯質譜儀 (HPLC-MS) 偵測酵素分解 OPEOn 所產生的代謝物,發現酵素會以乙烯醚 (ethoxylate) 為單位分解OPEOn,並且發現乙烯醚鏈的長度越長,其被攻擊與分解的機率會隨之提高。團隊接著利用電灑油離質譜技術 (ESI-MS/MS) 辨認酵素的身份,依據實驗結果判定此酵素為二氫硫辛醯胺脫氫酶 (dihydrolipoamide dehydrogenase,簡寫為 Lpd)。

為了釐清TX1菌株透過Lpd代謝OPEOn 的機轉,研究團隊針對TX1菌株的基因組進行分析,發現lpd基因的上下游基因皆含有檸檬酸循環 (TCA cycle) 內的酵素,故推測 Lpd 代謝OPEOn 的機轉與細菌本身的代謝途徑有關,並進一步提出 Lpd 代謝的可能途徑: Lpd會利用類似芬頓反應 (Fenton reaction,註一) 的原理,透過氧化 NADPH、還原金屬離子並消耗氧氣來產生氫氧根自由基 (OH),氫氧根自由基會攻擊OPEOn的芳香環 (aromatic ring) 以及位於烷基鏈 (alkyl chain) 與氧乙烯鏈 (ethoxylate chain) 上的甲基,產出以乙烯醚為單位的代謝物,這些代謝物會進一步轉變為乙醯輔酶A (acetyl-CoA) 並進入乙醛酸循環 (glycoxylate cycle) 中。此研究顯現極端環境下的菌株利用自身酵素因應環境的方法,未來或許可以將此發現應用於分解廢水中的汙染物,為解決河川汙染問題提供一個新的做法與可能性。


圖一、TX1菌株的Lpd酵素代謝OPEOn 的機轉。

圖一、TX1菌株的Lpd酵素代謝OPEOn 的機轉。


註一、芬頓反應是二價鐵離子 (Fe2+) 和過氧化氫 (hydrogen peroxide, H2O2) 作用產生氫氧根自由基 (hydroxyl radical, HO•) 的化學反應,反應式為Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH + OH。 [3]


原文:

Hung, K. C., Nguyen, N. T., Sun, Y. L., & Huang, S. L. (2019). Bio-Fenton reaction involved in the cleavage of the ethoxylate chain of nonionic surfactants by dihydrolipoamide dehydrogenase from Pseudomonas nitroreducens TX1. Scientific reports, 9(1), 6827. https://doi.org/10.1038/s41598-019-43266-8

 

參考文獻:

[1] Huang, S. L., Chen, H., Hu, A., Tuan, N. N., & Yu, C. P. (2014). Draft Genome Sequence of Pseudomonas nitroreducens Strain TX1, Which Degrades Nonionic Surfactants and Estrogen-Like Alkylphenols. Genome announcements, 2(1), e01262-13. https://doi.org/10.1128/genomeA.01262-13

[2] Hung, K. C., Nguyen, N. T., Sun, Y. L., & Huang, S. L. (2019). Bio-Fenton reaction involved in the cleavage of the ethoxylate chain of nonionic surfactants by dihydrolipoamide dehydrogenase from Pseudomonas nitroreducens TX1. Scientific reports, 9(1), 6827. https://doi.org/10.1038/s41598-019-43266-8

[3] 芬頓反應與廢水處理https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=73498

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