揭秘海洋中降解聚羟基丁酸酯(PHB)细菌的基因组奥秘:为生物可降解塑料研究开辟新方向

《Microbiology Resource Announcements 0.7》:Draft genome sequences of six bacterial strains degrading the biodegradable plastic polyhydroxybutyrate (PHB)

【字体: 时间:2025年03月29日 来源:Microbiology Resource Announcements 0.7

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  为探究生物可降解塑料聚羟基丁酸酯(PHB)的降解机制,研究人员从日本沿海海水样本中分离出 6 株降解 PHB 的细菌并测序其基因组。结果显示,这些菌株基因组大小在 4.5 - 6.6 Mb,且与已知 PHB 降解菌在系统发育上不同,这为深入研究 PHB 降解机制及海洋生态作用提供了基础。

  聚羟基丁酸酯(Polyhydroxybutyrate,PHB)作为生物可降解塑料的原料,从环保角度来看,正被视作石油基塑料的替代品进行研究。到目前为止,在各种环境中都发现了能够降解 PHB 的细菌。不过,基于非培养的宏基因组分析表明,还有许多未被培养的 PHB 降解细菌存在。
在这项研究里,研究人员以海水为来源,从生物降解性测试样本中分离出了 PHB 降解细菌,并对它们的基因组进行测序。海水采集自日本沿海地区的海面(北纬 34°37′03.2″ ,东经 135°25′42.1″)。随后,在测试瓶中加入 30 毫克 PHB 粉末(德国默克公司产品)和 200 毫升海水,不添加任何营养源,在 27°C 搅拌条件下进行培养。通过实验室规模的生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)测试仪(日本 TAITEC 公司的 BOD200F、德国 WTW 公司的 OxiTop IDS)测定氧气(O2)消耗情况,以此评估 PHB 的降解程度。接下来,将培养物涂布在双层琼脂平板上,底层含有日本盐谷公司的人工海水 DAIGO 和酵母提取物或海洋琼脂,上层含有 1.2% 的 PHB 细粉。在 25°C 培养 2 周后,挑选出形成透明圈(表明具有 PHB 降解活性)的菌落,分离过程重复三次以进行纯化。用于基因组分析的细胞,是通过对液体培养样本进行离心、收集沉淀,或者从在含有酵母提取物的 DAIGO 培养基中、25°C 培养的琼脂平板上收集菌落获得的。

基因组 DNA 的提取使用德国 Macherey-Nagel 公司的 NucleoSpin Microbial DNA 试剂盒,按照试剂盒说明书操作。全基因组鸟枪法测序由中国北京的诺禾致源公司,利用美国 Illumina 公司的 NovaSeq6000 平台完成。使用美国 Covaris 公司的超声破碎系统对 DNA 进行片段化处理,结合美国 New England Biolabs 公司的 NEBNext Ultra II DNA Library Prep Kit for Illumina 试剂盒制备短读长文库。采用 Illumina 的 NovaSeq 6000 S4 Reagent Kit v1.5 试剂套装,测定出 2×150 bp 的 Illumina 双端序列。运用 Fastp v0.23.1 软件进行测序读长质量控制和接头修剪。使用 SPAdes v3.15.3 软件进行基因组组装。利用日本 DNA 数据库(DNA Data Bank of Japan,DDBJ)的快速注释与提交工具(DDBJ Fast Annotation and Submission Tool,DFAST)1.2.20 版本流程对基因组进行结构注释,该流程包含多个程序:用 GAPannotator 1.0 版本处理组装缺口;MetaGeneAnnotator 2008/08/19 版本预测编码序列(Coding Sequence,CDS);CRT 1.2 版本识别规律成簇间隔短回文重复序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,CRISPR);Aragorn 1.2.38 版本查找转运核糖核酸(Transfer RNA,tRNA);Barrnap 0.8 版本预测核糖体核糖核酸(Ribosomal RNA,rRNA)。除特殊说明外,所有软件均采用默认参数。

这 6 个菌株的基因组长度在 4.49 - 6.65 Mbp 之间,GC 含量在 42.3% - 59.0% 范围内。基于平均核苷酸同一性(Average Nucleotide Identity,ANI)的系统发育分析(由 DFAST_QC 0.5.7 版本流程计算)表明,有 4 个菌株与席藻杆菌属(Sessilibacter)密切相关,另外 2 个菌株分别与玫瑰杆菌属(Roseibium)关系密切,ANI 值分别为 78% 和 88% 。在这 6 个菌株的基因组中均注释到了 PHB 解聚酶基因 [EC 3.1.1.75]。由于此前尚未有属于这两个属的 PHB 降解菌株的报道,因此需要进一步研究,以阐明它们在海洋生态系统中的 PHB 降解机制和生态作用。

本研究得到了新能源和工业技术开发组织(New Energy and Industrial Technology Development Organization,NEDO)委托的 “海洋生物降解评估方法开发” 项目(项目编号:20008)的支持。

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