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

辛基苯酚聚氧乙基醇 (octylphenol polyethoxylate，簡寫為OPEO_n) 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OPEO_n的環境中生長並將OPEO_n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OPEO_n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OPEO_n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 OPEO_n 所產生的代謝物，發現酵素會以乙烯醚 (ethoxylate) 為單位分解OPEO_n，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OPEO_n 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OPEO_n 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OPEO_n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。

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