基于網(wǎng)絡(luò)集成分析研究產(chǎn)電菌胞外電子轉(zhuǎn)移機(jī)制.pdf

1、微生物燃料電池利用具有電化學(xué)活性的微生物代替陽(yáng)極的金屬催化劑，是一種環(huán)境友好的新型能源。電化學(xué)活性微生物又稱(chēng)為產(chǎn)電微生物，能夠利用環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)呼吸作用完成電子從胞內(nèi)傳遞給胞外電子受體的過(guò)程。產(chǎn)電微生物的發(fā)現(xiàn)，為綠色清潔能源研究開(kāi)辟了新的方向，為利用綠色能源取代傳統(tǒng)化石燃料，以及消除化石燃料燃燒帶來(lái)的一系列環(huán)境問(wèn)題指明了方向。目前發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)電微生物的電能輸出效率整體較低，沒(méi)有統(tǒng)一的優(yōu)勢(shì)菌株，因而微生物燃料電池技術(shù)無(wú)法大規(guī)模普及到工業(yè)

2、生產(chǎn)中。
　　Shewanella oneidensis MR-1是產(chǎn)電微生物研究中的模式生物，屬于革蘭氏陰性、兼性厭氧菌，可利用多種電子受體，在多種環(huán)境下生長(zhǎng)。本文選擇其作為研究對(duì)象，目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)胞外電子傳遞過(guò)程中的關(guān)鍵基因和生化反應(yīng)，目的為揭示胞外電子傳遞機(jī)制，以及通過(guò)基因工程或代謝工程的方法提高電子傳遞效率提供指引，同時(shí)探索了整合代謝網(wǎng)絡(luò)與基因表達(dá)數(shù)據(jù)等多組學(xué)聯(lián)合分析方法。
　　首先從參與電子傳遞過(guò)程的關(guān)鍵電子介體入手，

3、基于NCBI的基因注釋信息和KEGG蛋白質(zhì)代謝數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Merlin軟件自動(dòng)構(gòu)建并加以修正，構(gòu)建了S.oneidensis MR-1關(guān)鍵電子介體的代謝子網(wǎng)絡(luò)，包含38個(gè)生化反應(yīng)，76個(gè)代謝物和44個(gè)基因。將代謝子網(wǎng)絡(luò)與已有文獻(xiàn)中兩個(gè)較全面的全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)iSO783與iMR1_799相比較，發(fā)現(xiàn)有24個(gè)相同的共同反應(yīng);與KEGG PATHWAY數(shù)據(jù)庫(kù)中黃素與醌類(lèi)代謝通路中的反應(yīng)相比較，分別有6個(gè)和8個(gè)共同反應(yīng)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，

4、發(fā)現(xiàn)該代謝子網(wǎng)絡(luò)具有小世界性和無(wú)標(biāo)度性的特征，是一種典型的生物復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。在該代謝子網(wǎng)絡(luò)的生化反應(yīng)中，醌類(lèi)作為一種關(guān)鍵的電子介體，相關(guān)的生化反應(yīng)占比重最大。
　　然后進(jìn)行全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)分析，選取iMR1_799代謝網(wǎng)絡(luò)，利用了基于通量平衡分析原理和MATLAB軟件的COBRA工具包，發(fā)現(xiàn)了直接、間接和黃素相關(guān)三種不同電子傳遞模式的關(guān)鍵生化反應(yīng)共8個(gè)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵生化反應(yīng)僅有2個(gè)不在電子介體代謝子網(wǎng)絡(luò)中。利用魯棒性分析方法探討電子傳

5、遞效率與生長(zhǎng)率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)電子傳遞與生長(zhǎng)率不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，故需要對(duì)生長(zhǎng)率進(jìn)行一定的控制，以提高電子傳遞效率，獲得最大的電能輸出。
　　最后從基因表達(dá)的角度對(duì)電子介體代謝子網(wǎng)絡(luò)基因進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)特定條件下微生物的胞外電子傳遞潛在通路。通過(guò)GEO數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，利用基于R語(yǔ)言的Bioconductor工具包，發(fā)現(xiàn)有氧和無(wú)氧條件下的電子傳遞方式、關(guān)鍵基因和反應(yīng)具有特異性。以乳酸基本培養(yǎng)基為例，有氧條件下以直接和間接電