酸化銅ナノ粒子によって引き起こされる細菌の脱窒悪化の重要なメカニズムとしての細胞内タンパク質発現の変化

Scientific Reports volume 5、記事番号: 15824 (2015) この記事を引用

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酸化銅ナノ粒子 (CuO NP) の生産と利用が増加すると、環境への放出が生じます。しかし、環境中で硝酸塩を窒素に変換する最も重要な経路の 1 つである細菌の脱窒に対する CuO NP の影響はほとんど研究されていません。今回我々は、CuO NPがモデル脱窒菌であるParacoccus denitrificansの重要なタンパク質発現に重大な変化を引き起こし、脱窒を著しく阻害することを報告した。 CuO NP が 0.05 mg/L から 0.25 mg/L に増加すると、総窒素除去効率は 98.3% から 62.1% に減少しました。細胞の形態と完全性の研究により、ナノ粒子が細胞に侵入したことが示されました。プロテオミクスバイオインフォマティクス分析により、CuO NP が窒素代謝、電子伝達、物質輸送に関与するタンパク質の調節を引き起こすことが示されました。 GtsB タンパク質 (グルコース輸送を担う) の下方制御により、NADH (脱窒のための電子供与体) の生成が減少しました。また、主要な電子伝達タンパク質（NADH デヒドロゲナーゼやシトクロムなど）の発現は CuO NP によって抑制され、脱窒のための電子伝達に悪影響を及ぼしました。さらなる調査により、CuO NP が硝酸レダクターゼと亜硝酸レダクターゼの発現と触媒活性を有意に阻害することが明らかになりました。これらの結果により、細菌の脱窒に対する CuO NP の悪影響についての基本的な理解が得られました。

生物圏における主要な生物地球化学的循環の 1 つである窒素循環は、大気、水、土地、生物間で窒素をさまざまな形に変換します。硝酸塩を二窒素に変換し、窒素元素を大気中に戻す脱窒プロセスは、地球規模の気候変動、水質、生態系の健全性と密接な関係があるため、非常に重要です1。脱窒細菌は、最も広く分布している脱窒の実行者として、一連の生物学的プロセスを通じて硝酸塩の減少を達成します。脱窒代謝反応は、電子伝達タンパク質や脱窒酵素などのさまざまな機能タンパク質によって最終的に制御されます。これらのタンパク質の発現が脱窒物質の細胞代謝を決定することが報告されています 2,3。

ナノテクノロジーの急速な発展に伴い、人工ナノ材料は生物医学、材料合成、化学触媒などのさまざまな分野で広く応用されています4,5。ナノマテリアルは人間の細胞 6、7、8、植物 9、およびモデル細菌 10 に悪影響を与える可能性があることが報告されています。特に、酸化銅ナノ粒子 (CuO NP) は、優れた抗菌特性により、抗菌繊維、木材保存、防汚塗料、農業用殺生物剤などに広く応用されています 11,12。 2014 年の世界の CuO NP の生産量は 570 トンであり、2025 年までに 1,600 トンになると推定されていると報告されています13。したがって、CuO NP の生産と利用の増加により、意図的または非意図的に環境中へのそれらの放出が生じます14。ヒトの細胞や藻類などの一部のモデル生物に対する CuO NP の毒性は広く研究されていますが 15,16、主な理由は、DNA 損傷や損傷を引き起こす可能性のある活性酸素種 (ROS) の生成にあると考えられています遺伝子調節9,15。遺伝子発現の最終産物であるタンパク質が、代謝反応の触媒や物質の輸送など、特定の生物学的プロセスの最終実行者であることはよく知られています。したがって、タンパク質発現が大きな影響を受けると、成長と全体的な代謝プロセスが変化します17。

脱窒中、細胞外炭素源（グルコースなど）は、微生物の増殖と脱窒に利用される前に細胞内に輸送される必要があります18、19、20。グルコースの輸送プロセスは、溶質結合タンパク質 (GtsA)、内膜タンパク質 (GtsB および GtsC)、ATP 結合タンパク質 (MalK) などのいくつかの重要なタンパク質の協力によって達成されることが十分に証明されています 21。さらに、細菌の脱窒は、電子伝達に依存する一連の連続的な酸化還元反応です。電子伝達系では、電子はシトクロム bc1、シトクロム c、脱窒酵素などの電子伝達タンパク質によって順次伝達されます 22。さらに、4 つの主要な脱窒酵素、硝酸レダクターゼ (NAR)、亜硝酸レダクターゼ (NIR)、一酸化窒素レダクターゼ (NOR)、および亜酸化窒素レダクターゼ (N2OR) が、硝酸塩から窒素への還元反応を順次触媒します。以前の研究では、主要な電子伝達タンパク質または脱窒酵素の変化が脱窒性能に影響を与えることが示されています 23、24、25。しかし、脱窒細菌の細胞内機能タンパク質の発現および機能に対する人工ナノ材料の影響はほとんど文書化されていない。

0.05). Also, the denitrification processes of P. denitrificans with or without the presence of copper ion were investigated (Figure S1C and Figure S1D in Supplementary information) and the Cu2+ did not cause significant effects on the reductions of NO3−-N and NO2−-N and the final N2O concentration. Likewise, the presence of Cu2+ did not inhibit the catalytic activity of denitrifying enzymes (Figure S2 in Supplementary information). Therefore, Cu2+ did not account for the severe influence of CuO NPs on P. denitrificans and similar conclusions were made in the literatures9,16. In the coming text, the toxic mechanism was developed from the interaction between CuO NPs and bacteria./p>0.95 and the peptide transition intensity was analyzed quantitatively by software Skyline 2.5.0 (University of Washington). Triplicated biological samples were used in the MRM quantification test and the differential expressed proteins were considered to be significantly regulated compared to the control when the p < 0.05./p>