抗辐射微生物

抗辐射微生物第1页/共25页主要内容

一、抗辐射微生物概述

二、微生物抗辐射的机理

三、抗辐射微生物的应用

四、抗辐射微生物的筛选第2页/共25页一、抗辐射微生物概述

抗辐射微生物的发现历史比较短暂，1956年美国科学家Anderson等从X射线灭菌处理后的肉罐食品中发现的一株红色的非致病菌。该菌能够在60Gy辐照条件下正常生长，而且经15kGy的急性照射也能保持一定的细胞存活率。第3页/共25页辐射剂量对人体的伤害第4页/共25页

耐辐射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。而耐辐射微生物不可能在长期的辐射选择压力下进化获得辐射抗性,因此该类微生物的物种起源及其进化机制一直是科学界长期争论的焦点,目前尚无一种清晰的进化模式。第5页/共25页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。第6页/共25页二、微生物抗辐射的机理1、微生物细胞本身具有的保护结构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。第7页/共25页②细胞壁坚固、细胞膜脂质成分独特耐辐射异常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14~20nm，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，形成六方点格第8页/共25页第9页/共25页2、DNA修复机理光修复：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。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链连接起来第10页/共25页3、修复由电离辐射引起的DNA损伤超快修复：单链断裂部分在DNA连接酶作用下极快的修复快修复：在DNA聚酶Ⅰ作用下，修复由超快修复后剩下的断裂的单链DNA。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。第11页/共25页4、耐辐射异常球菌修复酶

抗辐射微生物中含有内切核酸酶α和内切核酸酶β，它们能修上千个碱基断裂的DNA片段。5、耐辐射异常球菌保护酶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。第12页/共25页三、抗辐射微生物的应用抗辐射微生物在环境修复中的应用抗辐射微生物的微生物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。第13页/共25页1997年美国能源部便开始了以异常球菌属为工具的放射性污染生物修复的研究,利D.radiodurans和D.grandis作为外源功能基因受体,成功得到了具有抗汞和降解有机氯化物的“超级细菌”,并将其应用于防护地下放射性废物堆积点和核反应堆放射性核素的泄漏。研究发现,在有氧或厌氧条件下D.radiodurans可以还原铀和锝。第14页/共25页2、植物抗逆品系培育

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。第15页/共25页Monsanto公司已将枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)的冷激蛋白基因(cspB)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350mmol/LNaCl)。第16页/共25页3、药物开发为抗氧化药物的研究提供了新的思路已经从D.radiodurans中鉴定了许多与抗氧化有关的蛋白质,主要包括:耐辐射异常球菌的微生物资源及其应用Mn/Fe超氧物歧化酶、Cu/Zn超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、巯基烷基过氧化物还原酶、硫氧还蛋白还原酶/烷基过氧化物还原酶、甲硫氨酸亚砜还原酶和谷氧还蛋白等。第17页/共25页②发现治疗肿瘤的新方法和新药物

耐辐射球菌对辐射的高抗性表明，其基因组内含有对辐射抗性极强的基因。向骨髓细胞导入耐辐射基因，增强骨髓细胞对射线的耐受性，提高放射应用剂量杀伤体内残存的肿瘤细胞。第18页/共25页四、抗辐射微生物的筛选以一株极端耐辐射奇异球菌的分离为例第19页/共25页1、试验菌株和培养条件

供试菌株分离于中国农业科学院原子能利用研究所同位素试验网室的土样。菌株用TGY培养基(0.5%胰蛋白胨,0.3%酵母提取液,0.1%葡萄糖),30℃培养2～3d。用于DNA操作的大肠杆菌(Escherichiacoli)DH5α和野生型菌株K12,用LB培养基(蛋白胨10g/L、酵母粉5g/L、NaCl10g/L、pH7.0),37℃培养过夜。固体培养基中加入1.5%的琼脂。

第20页/共25页2、菌株的分离和纯化

取1g土样加入5ml1mol/LNa3PO4

中,充分振荡30min,混匀静置15min后,取100μl上清液涂布于TGY固体培养基,置于30℃培养箱中培养2～3d。挑取单菌落,接种到新的TGY固体培养基中,反复多次获得纯培养菌株。第21页/共25页3、耐辐射菌株的筛选第22页/共25页4、结果

由于放射性实验区中土壤长期受到一定放射性强度的辐射,生存在该环境中的微生物种类和数量较少。本试验从土壤样品中共分离到12个单菌落。通过显微镜(×1000)观察各菌落对数生长后期或稳定期细胞以及菌株在固体培养基上形成的菌落形态,初步划分成4个明显不同的类群。编号为BR501、BR402、BR40