구리산화물 나노입자로 인한 세균 탈질화 악화의 주요 메커니즘인 세포내 단백질 발현의 변화

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15824(2015) 이 기사 인용

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구리 산화물 나노입자(CuO NP)의 생산 및 활용이 증가함에 따라 환경으로 방출이 발생합니다. 그러나 환경에서 질산염을 이질소로 변환하는 가장 중요한 경로 중 하나인 박테리아 탈질화에 대한 CuO NP의 영향은 거의 연구되지 않았습니다. 여기에서 우리는 CuO NP가 모델 탈질제인 Paracoccus denitrificans의 주요 단백질 발현을 크게 변경하여 탈질을 심각하게 억제한다고 보고했습니다. CuO NP가 0.05에서 0.25 mg/L로 증가함에 따라 총 질소 제거 효율은 98.3%에서 62.1%로 감소했습니다. 세포 형태 및 무결성 연구에 따르면 나노입자가 세포에 들어가는 것으로 나타났습니다. 단백질체 생물정보학 분석은 CuO NP가 질소 대사, 전자 이동 및 물질 수송과 관련된 단백질의 조절을 유발한다는 것을 보여주었습니다. GtsB 단백질(포도당 수송을 담당)의 하향 조절은 NADH(탈질화를 위한 전자 공여체)의 생성을 감소시켰습니다. 또한 주요 전자 전달 단백질(NADH 탈수소효소 및 시토크롬 포함)의 발현이 CuO NP에 의해 억제되어 탈질화를 위한 전자 전달에 부정적인 영향을 미쳤습니다. 추가 조사에 따르면 CuO NP는 질산염 환원효소와 아질산염 환원효소의 발현과 촉매 활성을 크게 억제하는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 CuO NP가 박테리아 탈질화에 미치는 부정적인 영향에 대한 근본적인 이해를 제공했습니다.

생물권의 주요 생지화학적 순환 중 하나인 질소 순환은 대기, 물, 토지 및 유기체 사이에서 다양한 형태로 질소의 변형을 수행합니다. 질산염을 이질소로 전환하고 질소 성분을 대기로 되돌리는 탈질 과정은 지구 기후 변화, 수질 및 생태계 건강과 밀접한 관련이 있다는 점에서 매우 중요합니다1. 가장 널리 분포된 탈질작용 수행자인 탈질세균은 일련의 생물학적 과정을 통해 질산염을 감소시킵니다. 탈질 대사 반응은 궁극적으로 전자 전달 단백질 및 탈질 효소와 같은 다양한 기능성 단백질에 의해 제어됩니다. 이들 단백질의 발현이 탈질제의 세포 대사를 결정하는 것으로 보고되었습니다2,3.

나노기술의 급속한 발전으로 가공된 나노물질은 생물의학, 재료 합성, 화학적 촉매작용 등 다양한 분야에 널리 적용되었습니다4,5. 나노물질은 인간 세포6,7,8, 식물9 및 모델 박테리아10에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 것으로 보고되었습니다. 특히, 뛰어난 항균 특성으로 인해 산화구리 나노입자(CuO NPs)는 항균 섬유, 목재 보존, 방오 도료 및 농업용 살생물제에 널리 적용되어 왔습니다. CuO NP의 전 세계 생산량은 2014년에 570톤이었고, 2025년까지 예상 생산량은 1,600톤이 될 것으로 보고되었습니다13. 따라서 CuO NP의 생산 및 활용이 증가하면 의도적이거나 의도하지 않은 환경으로 방출됩니다14. 인간 세포나 조류와 같은 일부 모델 유기체에 대한 CuO NP의 독성이 널리 연구되었지만15,16 주된 이유는 활성산소종(ROS)4의 생성에 기인했으며, 이는 DNA 병변 또는 유전자 조절9,15. 유전자 발현의 최종 산물인 단백질이 대사 반응을 촉매하고 물질을 운반하는 것과 같은 특정 생물학적 과정의 최종 실행자라는 것은 잘 알려져 있습니다. 따라서 일단 단백질 발현이 크게 영향을 받으면 성장과 전체적인 대사 과정이 변경될 것입니다.

탈질화 동안 세포외 탄소원(예: 포도당)은 미생물 성장 및 탈질화에 활용되기 전에 세포 내로 수송되어야 합니다18,19,20. 포도당의 수송 과정은 용질 결합 단백질(GtsA), 내막 단백질(GtsB 및 GtsC) 및 ATP 결합 단백질(MalK)과 같은 여러 중요한 단백질의 협력에 의해 수행된다는 것이 잘 문서화되어 있습니다. 더욱이, 박테리아 탈질화는 전자 전달에 의존하는 일련의 순차적인 산화환원 반응입니다. 전자 전달 사슬에서 전자는 시토크롬 bc1, 시토크롬 c 및 탈질 효소와 같은 전자 전달 단백질에 의해 순차적으로 전달됩니다. 또한 4가지 핵심 탈질 효소인 질산염 환원효소(NAR), 아질산염 환원효소(NIR), 산화질소 환원효소(NOR) 및 아산화질소 환원효소(N2OR)는 질산염에서 질소로의 환원 반응을 순차적으로 촉매합니다. 이전 연구에서는 주요 전자 수송 단백질이나 탈질 효소의 변화가 탈질 성능에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다23,24,25. 그러나 탈질소화 박테리아 세포내 기능성 단백질 발현 및 기능에 대한 가공된 나노물질의 영향은 거의 문서화되지 않았습니다.

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>