微生物导电菌毛的进化、结构和电子传递机制研究

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1、学校代码：10286分类号：R318密级：公开UDC：577学号：149444微生物导电菌毛的进化、结构和电子传递机制研究研究生姓名：束传军导师姓名：孙啸教授申请学位类别工学博士学位授予单位东南大学一级学科名称生物医学工程论文答辩日期2018年8月16日二级学科名称生物医学工程学位授予日期20年月日答辩委员会主席许晓风评阅人2018年8月16日博士学位论文微生物导电菌毛的进化、结构和电子传递机制研究专业名称：生物医学工程研究生姓名：束传军导师姓名：孙啸教授本论文获国家自然科学基金（61472078）和东南大学生物电子学国家重点实验室“微生物胞外电子转移机制的研究”项目资助

2、。EVOLUTION,STRUCTUREANDELECTRONTRANSPORTMECHANISMOFMICROBIALCONDUCTIVEPILIADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYChuanjunShuSupervisedbyProf.SunXiaoSchoolofBiologicalScienceandMedicalEngineeringSoutheastUniversityJune,2018摘要摘要产电微生物是一类具有特殊呼吸能力

3、的微生物，它们能够在外界电子受体不进入细胞的情况下，将呼吸链延伸到细胞外，并将电子传递到胞外受体。研究胞外电子转移（ExtracellularElectronTransfer,EET）是发展环境修复技术和新型生物能源技术的基础。Geobactersulfurreducens（GS）是一种具备EET能力的模式产电微生物，可以对被重金属或核燃料污染的水进行生物修复。GS菌毛具有类金属样导电性，被称之为“纳米导线”，且与GS还原三价铁和其生物修复等生物学功能密切相关，是目前研究的热点。利用产电微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的设备被称之为微生物燃料电池（Microbial

4、FuelCell，MFC）。然而，MFC的低功率限制了其实际应用。确定菌毛细胞外电子转移机制，挖掘限制菌毛导电能力的因素，可大幅度提高MFC的应用性能。导电菌毛属于纤维状蛋白多聚体，由于其不溶性、表面附属物和组装异质性，使用传统的结构生物学手段（X射线，核磁共振成像和冷冻电镜技术）难以获得导电菌毛全原子结构。导电菌毛结构未知导致研究者对其功能的认知存在很多未知之处,尤其是其胞外电子传递的机制。因此，本文以Geobacter菌属作为主要研究对象，运用计算生物学和计算化学方法，从序列、结构、进化和功能等多个层面，探索导电菌毛胞外电子转移的潜在机制。这些研究不仅有助于我们认识和

5、阐明EET过程的分子机制，还为通过基因改造产电微生物、提高MFC的产电效率提供科学依据和理论指导。本论文研究内容和主要研究进展如下：1、系统分析菌毛蛋白的序列、结构和进化关系，揭示了导电菌毛蛋白的进化来源，建立其进化模型。针对Geobacter菌属，我们使用PilFind和Cluster搜索编码导电菌毛蛋白的同源基因；利用MAFFT和QUARK分析序列特征和蛋白质三级结构；通过构建系统发育树来探索导电菌毛蛋白的起源。我们发现导电菌毛蛋白可能进化来自常规的完整型菌毛蛋白，其和伴随蛋白GSU1497可能分别进化来源于完整型菌毛蛋白N端和C端。进化压力来自没有直接电子转移能力的

6、厌氧细菌胞外电子转移的功能需求，进化的进程依次是基因双重复制、基因退化和基因分离。这些发现有助于我们进一步研究Geobacter菌属的导电菌毛进行远程电子传递的分子机制。2、发展了一种四型菌毛结构的柔性预测方法。此方法充分考虑了亚基生物学解析过程中存在的静态快照、信号干扰等问题而导致的不合理空间结构（如原子位置冲突等）和组装过程刚性对接，从本质上改进了四型菌毛组装过程中亚基的柔性对接问题。我们运用从头算法、同源建模或从结构数据库下载的方式获得亚基的三维构象，之后借助分子动力学模拟进行优化以去除可能存在的原子位置冲突等不合理的结构细节。在螺旋对称组装过程中，我们增加了距离约

7、束以更快更好的获得低能量模型。由于组装过程中认为亚基是刚体，所以我们进一步运用分子动力学模拟对具有最低能量评分的模型进行优化。通过比较预测获得的菌毛结构I东南大学博士学位论文（Neisseriagonorrhoeae菌毛和Neisseriameningitidis菌毛）与对应的天然结构来评估方法的有效性，结果表明我们预测的结构与天然的菌毛结构很相近，偏差仅在2埃左右。3、建立导电菌毛及其突变体结构模型，从结构生物学方面探索了影响菌毛导电能力的生物因素：芳香族氨基酸的个数与类型、芳香族残基之间的距离、芳香族残基周围的局部静电环境