一种耐辐射球菌抗逆相关基因及其应用
耐辐射奇球菌
How 1
耐辐射奇球菌 在环境修复中的应用
Application of Deinococcus radiodurans in Environmental Remediation
耐辐射奇球菌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。
①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
②细胞壁坚固、细胞膜脂质成分独特
耐辐射奇球菌 细胞具有多层特殊的结构
a.质膜含有特殊的磷酸糖脂而非通常的磷脂 b.肽聚糖厚度达14~20nm，形成桥联的氨基酸为L-鸟氨 酸 c.肽聚糖外层有分隔层，厚度为肽聚糖层的两倍 d.外膜不包含脂多糖 e.S层，由高度有规律排列的蛋白质组成，形成六方点 格
(2) 如何保证微生物在进行生物修复时不会产生意想不
到的威胁大众安全或者破坏环境的次级效应。
How 2
农作物抗旱育种： crop drought resistance breeding
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
What
What 3
微生物抗辐射的机理 Mechanism of microbial anti - radiation
(1) 微生物细胞本身具有的保护结构；
(2) DNA修复机理；
(3) 耐辐射奇球菌 修复酶；
(4) 耐辐射奇球菌 修复酶；
(5) 耐辐射奇球菌 保护酶。
What
微生 物细 胞本 身具 有的 保护 结构
微生-耐辐射奇球菌
耐辐射奇球菌
（Deinococcus radiodurans, DR）
简介
• 是地球上已知物种中最耐电离辐射的生物之一，被“吉尼斯世界记录”收录 并誉为是“世界上最顽强的细菌”。 • 1956 年由美国科学家Anderson 等首先从辐照灭菌后仍然发生变质的肉类罐 头中分离出来的。 • 属于极端微生物，对电离辐射、紫外线、干燥、强氧化剂和一些化学诱变剂 等各种DNA 损伤介质的致死和突变效应显示惊人的抗性。 • 微生物中DNA损伤修复的理想模式生物。
抗紫外线
抗干燥
• 耐辐射奇球菌经大剂量γ-射线照射（15 kGy）后染色体基因组产生约150～ 200 个双链断裂（Double-strand break, DSB）的DNA 片段，约3000 个单 链片段(SSBs)和至少1000 个损伤的碱基位点。 • 其中DSB 是DNA 损伤中最致死的形式。尽管所有生物都具有DNA 修复机制 ，但在多数物种中只有很少一部分DSB 能被修复。DNA 脉冲场凝胶电泳实 验表明，电离辐照后耐辐射奇球菌染色体基因组由原来的2.65×10 kb 泳带 变为50 kb 或更小的一条带，这些产物对一般细胞都是致命的，而受损伤的 耐辐射奇球菌基因组却能在几十小时之内完全修复。
形态和生长特性
耐辐射奇球菌形态
耐辐射奇球菌菌落形态
细胞结构
细胞壁成分类似G-，但染色结果呈G+
脂肪酸组成与众不同，含有一个由15-, 16-, 17-, 以及18-碳饱和或单不饱和脂肪酸组成的 混合物。 缺乏磷脂，耐辐射球细胞膜的脂类中，43% 是含有烷基胺的磷酸甘油酯。
基因组结构
多基因组
稳定生长期细胞中至少含 有4 个拷贝的基因组，而 在分裂旺盛的指数生cience 上公布耐辐射奇球菌野生型菌株R1 的全基因组序列
耐辐射奇球菌抗辐射原理
耐辐射奇球菌抗辐射原理耐辐射奇球菌是一种具有抗辐射能力的细菌，它能够在高辐射环境下存活和繁殖。
这一特性引起了科学家们的广泛关注，并成为研究抗辐射原理的重要对象。
辐射是一种常见的物理现象，它指的是能量的传播。
辐射包括电磁辐射和粒子辐射两种形式。
电磁辐射包括可见光、紫外线、X射线和γ射线等，而粒子辐射主要包括α粒子、β粒子和中子等。
辐射能量的传播会对生物体产生不可逆的损害，导致细胞结构和功能的紊乱，甚至引发遗传性疾病和肿瘤。
耐辐射奇球菌具有抗辐射的能力，主要归功于其细胞内的一些特殊机制。
首先，耐辐射奇球菌具有高效的DNA修复系统。
DNA是细菌遗传物质的重要组成部分，也是辐射损伤的主要目标。
当DNA 受到辐射损伤时，耐辐射奇球菌能够迅速启动一系列的修复机制，修复损伤的DNA链，保持基因组的完整性。
耐辐射奇球菌能够积累抗氧化物质。
辐射会产生大量的自由基，这是一类高度活跃的分子，容易与细胞内的生物分子反应，并导致细胞损伤。
耐辐射奇球菌通过积累抗氧化物质，如超氧化物歧化酶和谷胱甘肽，可以有效地清除自由基，减少细胞损伤。
耐辐射奇球菌还具备一种特殊的DNA保护蛋白。
这种蛋白能够与DNA结合，形成一种保护层，防止DNA受到辐射损伤。
在辐射环境中，这种DNA保护蛋白会迅速被激活，将自身从细胞质转移到细胞核，保护DNA免受辐射的侵害。
除了以上几种机制外，耐辐射奇球菌还具有较低的代谢活性和较高的抗压能力。
辐射会对细菌的代谢过程产生干扰，导致细胞功能的紊乱。
耐辐射奇球菌通过降低代谢活性，减少对外界环境的依赖，从而增强了自身的抗辐射能力。
此外，耐辐射奇球菌还能够产生一种特殊的抗压蛋白，该蛋白在辐射环境中可以起到保护细胞结构的作用，提高细胞对辐射的耐受性。
耐辐射奇球菌的抗辐射原理为科学家们研究辐射防护和辐射治疗提供了宝贵的参考。
通过深入了解耐辐射奇球菌的抗辐射机制，科学家们可以设计出更有效的辐射防护材料和药物，减少辐射对人体的伤害。
耐辐射奇球菌(一)
耐辐射奇球菌（一）引言概述：耐辐射奇球菌是一种特殊的细菌，它具有高度的辐射耐受能力，被广泛应用于环境修复和食品保鲜等领域。
本文将从菌种的特点、辐射耐受机制、应用前景、培养技术以及食品安全等五个方面对耐辐射奇球菌进行全面介绍。
正文：一、菌种的特点1. 耐辐射奇球菌的形态特征2. 耐辐射奇球菌的生长速度和营养需求3. 耐辐射奇球菌的生存环境限制4. 耐辐射奇球菌的遗传特性和基因组分析5. 耐辐射奇球菌与其他细菌的关系二、辐射耐受机制1. DNA修复系统的作用2. 抗氧化酶的活性调控3. 细胞壁结构的重塑4. DNA损伤检测与信号传导5. 辐射响应基因的表达调控三、应用前景1. 辐射地区环境修复的潜力2. 辐射医学治疗的应用3. 食品辐射灭菌技术的改进4. 耐辐射奇球菌在生物学研究中的应用5. 耐辐射奇球菌的药物开发与应用四、培养技术1. 耐辐射奇球菌的培养基配制2. 培养条件的优化3. 耐辐射奇球菌的纯化与分离4. 菌种保藏与传承5. 耐辐射奇球菌的观察及实验技术五、食品安全1. 耐辐射奇球菌的食品工业应用2. 食品添加剂中的耐辐射奇球菌安全性评估3. 乳制品中耐辐射奇球菌的控制与检测4. 耐辐射奇球菌与食品中致病菌的竞争关系5. 对食品中耐辐射奇球菌的消费者警示与教育总结：耐辐射奇球菌作为一种具有高度辐射耐受能力的细菌，在环境修复、食品保鲜、辐照医学等多个领域具有广阔的应用前景。
通过深入理解其菌种特点、辐射耐受机制、培养技术，我们可以更好地利用耐辐射奇球菌的优势，保障食品安全，提高生活质量。
然而，对于其安全性和与其他细菌的相互作用还需更多深入研究，以保证其应用的安全可靠性。
耐辐射奇球菌(二)
耐辐射奇球菌（二）引言概述：本文将继续探讨耐辐射奇球菌的相关内容。
耐辐射奇球菌是一种具有特殊适应能力的细菌，能够在极端环境下存活和繁殖。
本文将从以下五个大点展开论述：适应辐射环境的机理、耐辐射奇球菌的特殊生命周期、其对环境的影响、可能的应用领域以及未来的研究方向。
1. 适应辐射环境的机理：a. DNA修复机制：介绍耐辐射奇球菌独特的DNA修复能力，如辐射酶的作用。
b. 调节基因表达：探讨耐辐射奇球菌调节基因表达以抵抗辐射的机制。
2. 耐辐射奇球菌的特殊生命周期：a. 进入休眠状态：解释耐辐射奇球菌在遭受辐射后进入休眠状态的原因和相关生理变化。
b. 恢复活动：说明耐辐射奇球菌在辐射环境恢复活动的过程和机制。
3. 耐辐射奇球菌对环境的影响：a. 生物地理学意义：分析耐辐射奇球菌对地质和生物地理学的影响。
b. 它对其他生物的影响：探讨耐辐射奇球菌对它生物和生态系统中的相互作用。
4. 可能的应用领域：a. 医学应用：介绍耐辐射奇球菌在放射治疗和癌症治疗中的应用潜力。
b. 环境修复：探讨耐辐射奇球菌在污染地区的生物修复潜力。
5. 未来的研究方向：a. 分子机制研究：提出未来研究可深入探索耐辐射奇球菌适应辐射的分子机制。
b. 应用拓展：展望耐辐射奇球菌在其他领域的应用前景。
总结：通过对耐辐射奇球菌的研究，我们可以深入了解细菌在极端环境下生存的机制。
耐辐射奇球菌在适应辐射环境、其特殊生命周期、对环境的影响、可能的应用领域以及未来的研究方向等方面具有许多引人瞩目的特点。
随着对其的进一步研究，我们将能够更好地应用这种细菌的特性，对医学和环境领域产生重要影响。
降解难降解物质基因工程菌的构建和运用-精品文档
清华大学环境学院
Thank you
果并不明显：污泥浓度为5g/L时，对两种废水水样中 镍去除率仅为7.31%和10.62%。 •采用基因工程菌-活性污泥曝气处理电镀废水取得了 较好的效果。
现代环境生物学课程报告
• 基因工程菌-活性污泥联用处理电镀废水时，在pH
值为3-7的范围内，电镀废水中的总镍去除效果较 好：两种电镀废水的去除率分别达到75.42%和 83.47%以上。 • 基因工程菌-活性污泥联用对废水中总镍的吸附速率 比较快，在振荡吸附30min后，两种电镀废水的总 镍去除率分别达到了70.52%和75.34%，完成了 总去除率的80%以上
Tod和xyl 基因能降 解甲苯
现代环境生物学课程报告
• 甲苯的代谢途径共有5 种,但都是先通过甲苯单加氧酶或双加氧酶形
成邻苯二酚这个关键中间产物, 然后通过邻位切割或间位切割开环。 P. putida在有氧条件下，的代谢途径如图1a
Tod基因能转化甲 苯为2-hydroxy6-oxo-2,4heptadienoate
现代环境生物学课程报告
处理实际废水的应用：
•菌株：本实验所构建的表达ATCC6538镍钴转运酶
NiCoT基因的重组菌E.coliBL21 •活性污泥：采自广州市猎德污水处理厂，离心后使 用，含水率为82.5% •废水：广东省阳江市某电镀厂两个不同车间
现代环境生物学课程报告
处理效果：
•当活性污泥单独投加时，对电镀废水中镍的去除效
现代环境生物学课程报告
案例二：基因工程菌—活性污泥法处理含镍电镀废水
• 背景：
电镀镍生产清洗过程中产生的废水往往含有过量的镍， 对人类健康有很大影响。 用于处理含镍废水的方法中，生物吸附法较于其他物理 化学方法在反应速度和运行成本等方面更有优势。但是也 存在对环境因素敏感、选择性差等不足，希望通过基因工 程技术的引入解决这些问题。 目前国内外利用基因工程菌处理重金属废水还处于实验 室研究阶段，距离实际工程应用有一定差距。基因工程菌 在吸附机理和工程应用的影响因素等方面的研究还有待进 一步开展。
抗辐射微生物
抗辐射微生物
曹萌
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
① 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。
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 a. 质膜含有特殊的磷酸糖脂而非通常的磷脂 b. 肽聚糖厚度达14~20nm，形成桥联的氨基酸为L-
鸟氨酸 c. 肽聚糖外层有分隔层，厚度为肽聚糖层的两倍 d. 外膜不包含脂多糖 e. S层，由高度有规律排列的蛋白质组成，形成六
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。
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( Escherichia coli)DH5 α和野生型菌株 K12 ,用LB 培养基(蛋白胨 10 g/ L、 酵母粉 5g/ L、 NaCl 10g/ L、 pH7.0) ,37 ℃ 培养过夜。固体培养基中加入1.5 %的琼脂。
异常球菌辐射损伤修复机制及其相关功能蛋白的研究进展
异常球菌辐射损伤修复机制及其相关功能蛋白的研究进展张陈;周正富;陈明;林敏;张维∗【摘要】Deinococcus radiodurans (DR) is one of the most ionizing-radiation resistant microorganisms. It has superior resistence to arefaction, ionizing radiation, UV-C, oxidant and other stresses. DR has many genes related to DNA repair system, which could repair DNA efficiently through metabolic pathways network control system. However, there is still very limited understanding of DR efficient and accurate damage DNA repair mechanisms under stresses. This paper mainly summarized the new development about the DNA repair systems and functional proteins of Deinococcus radiodurans.% 耐辐射异常球菌(Deinococcus radiodurans)是迄今发现的最具抗辐射的微生物之一，对干燥、电离辐射、紫外线、强氧化剂等极端条件表现出超强的抗性。
耐辐射异常球菌具有很多与修复相关的基因，能够通过代谢途径控制的网络系统有效的调整并修复DNA。
目前，对胁迫逆境下耐辐射异常球菌损伤DNA的高效精确修复机制的了解还非常有限。
本文综述了耐辐射异常球菌DNA损伤修复方式及其重要功能蛋白的研究进展。
耐辐射奇球菌课件
06 耐辐射奇球菌的研究进展
耐辐射奇球菌的基因工程研究
基因组学研究
耐辐射奇球菌的基因组学研究为其抗性机制提供了重要的线 索。通过对该菌的基因组进行测序和分析，可以了解其抗辐 射、抗极端环境的分子机制。
基因敲除与功能研究
通过基因敲除技术，可以研究特定基因在耐辐射奇球菌抗性 中的作用，进而通过基因工程手段对其进行改造，提高其抗 性或生产相关产品。
培养时间
培养时间通常为2-7天，根 据菌落形成情况而定。
耐辐射奇球菌的鉴定方法
形态学鉴定
观察菌落的形状、大小、颜色等 特征，以及显微镜下的细胞形态
和染色特性。
生化鉴定
通过测定耐辐射奇球菌的生化反 应，如氧化酶试验、过氧化氢酶 试验等，以确定其属性和种别。
分子生物学鉴定
利用基因测序和PCR等技术，对 耐辐射奇球菌的DNA或RNA进 行检测和比对，以更准确地进行
的效率和安全性。
在医学领域的应用
抗菌药物
耐辐射奇球菌可以产生抗菌物质，对一些常见病原菌具有抑制作用 ，有望开发成为新型抗菌药物。
生物治疗
耐辐射奇球菌可以用于肿瘤的生物治疗，通过调节机体免疫系统来 杀伤肿瘤细胞，提高治疗效果。
生物材料
由于耐辐射奇球菌具有出色的抗辐射能力，它可以用于生产生物材料 ，如生物膜、生物支架等，提高生物材料的稳定性和安全性。
在核事故发生时，耐辐射奇球 菌可能用于生物修复，帮助消 除辐射污染。
在太空探索中，耐辐射奇球菌 可能用于检测和解决辐射问题 。
02 耐辐射奇球菌的生物学特性
耐辐射奇球菌的细胞结构
革兰氏阳性菌
耐辐射奇球菌是一种革兰氏阳性菌，其细胞壁由肽聚糖层构成， 具有较强的抗辐射能力。
耐辐射球菌中priA类似基因(dr2606)功能的研究
耐辐射球菌中priA类似基因（dr2606）功能的研究耐辐射球菌(Deinococcus radiodurans)是奇球菌属(Deinococcaceae)的代表菌种,是至今发现的抗辐射能力最强的生物之一。
DNA损伤很易阻断复制叉的前进,而电离辐射会诱导产生各种形式的DNA结构损伤,这会导致各种致命的染色体畸变,从而使细胞死亡。
损伤DNA的修复以及接下来停止复制叉的重启动过程对细胞生存极为重要。
耐辐射球菌具有高效的DNA损伤修复机制,能够准确无误地修复由辐射引起的几百个双链DNA碎片,不造成任何突变和死亡。
然而,细胞还需要一些能够重启动停止的复制叉的方式,这类方式不依赖于基因重组,而是在损伤的下游重启动复制。
但是关于耐辐射球菌中停止复制叉的重启动机制还未有研究报道。
依赖于PriA的复制重启动机制是细菌复制重启动的主要途径。
在大肠杆菌中,PriA与PriB, DnaT, PriC, DnaB和DnaC等引发体蛋白共同完成停止复制叉上引发体的装载过程。
根据比较基因组学的结果,发现耐辐射球菌中存在编码priA的基因,其编号为dr2606。
但是耐辐射球菌在序列上不存在编码priB,priC,dnaT和dnaC的同源基因。
为了了解priA类似基因dr2606在耐辐射球菌中的作用,我们用生物信息学的方法对dr2606基因与大肠杆菌、枯草芽孢杆菌中的同源物进行了序列比对。
我们还通过用卡纳抗性基因代替了dr2606阅读框,构建了dr2606缺失突变株。
Dr2606的突变导致菌体生长缓慢,细胞生存率急剧下降。
为了检测Dr2606在DNA修复中的作用,我们对突变株进行UV和丝裂霉素处理。
意外的是,耐辐射球菌的DNA修复能力没有削弱。
但是,突变株的转化效率大大削弱了。
这些数据表明,在耐辐射球菌中priA类似基因dr2606对停止复制叉的重启动过程并不是必需的。
耐辐射球菌的不依赖于原点的复制重启动过程可能与其它细菌不同。
环境应激蛋白PprM研究进展
环境应激蛋白PprM研究进展潘宝平;马云;何淑雅【摘要】耐辐射奇球菌(DR)是迄今为止地球上发现的辐射抗性最强的生命形式之一,具有快速高效的DNA损伤修复能力.PprM是DR菌特有的抗辐射响应蛋白,同时具有热休克蛋白(Hsp)和冷休克蛋白(Csp)特性,而且对电离辐射、氧化、干燥等压力胁迫都表现出极强的抗性.本文从PprM结构功能分析与预测、应激特性、分子伴侣活性与结合特性对目前PprM研究的最新进展做一综述,以期推动PprM进一步研究.【期刊名称】《中南医学科学杂志》【年(卷),期】2017(045)001【总页数】4页(P101-104)【关键词】PprM;热休克蛋白;冷休克蛋白;抗辐射;抗氧化【作者】潘宝平;马云;何淑雅【作者单位】南华大学公共卫生学院放射医学教研室,湖南衡阳421001;南华大学生物化学与分子生物学教研室;南华大学公共卫生学院放射医学教研室,湖南衡阳421001;南华大学生物化学与分子生物学教研室【正文语种】中文【中图分类】R811耐辐射奇球菌(Deinococcus radiodurans,DR)最出名于它对γ辐射的极端抗性，但是它也被证明对紫外辐射，干燥，高压真空，重离子袭击和过氧化氢等都具有极强的抗性。
DR菌对这些压力抗性的分子基础正在被广泛研究当中，特别受关注的是它的DNA修复系统。
该细菌具有强大的DNA修复能力，一个5 kGy辐射能导致DR菌基因组200个双链断裂(double-strand breaks,DSBs)，但是这种细菌却能在数小时内精确地从DNA碎片中重新装配到基因组中，主要原因是它能够调动机体约1/3的基因来抵抗致命的辐射损伤而存活。
而对于其他几乎所有生物而言, 少数几个DNA双链断裂都是致死性的。
但目前这种高效快速的DNA修复机制尚不清楚。
已经证实DR菌中很多基因(如pprI、pprA和recA等)在DNA损伤修复中发挥重要作用。
2009年Ohba H[1]在比较野生菌株与pprI基因缺陷突变株时发现一种新型的调节蛋白，经鉴定为一种冷休克蛋白(Cold-shock protein,Csp)同源物并命名为PprM，并证实PprM参与了在DR菌中PprI介导的辐射响应，而pprI是DR菌DNA损伤修复的总开关基因，在DR的极端抗性机制中起到非常重要的作用[2]，PprI充当一个总开关在辐射之后能够调节许多不同通路的蛋白质的表达，至少约210个基因的转录水平上调了，包括21个DNA修复和复制相关的基因，而这种潜在的机制并不清楚。