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康福星课题组ES&T成果:芳香族衍生物是抗生素抗性基因传播的“帮凶”

发布日期: 2019-07-01 16:49:47 浏览次数:

 

胞外聚合物质(EPS)是由微生物细胞分泌产生于胞外、由多糖、蛋白质、少量核酸等构成的一类聚合物质。它是控制“非生命-生命”关键带中污染物环境过程的重要节点,是联系“水/土壤-微生物”界面的重要界面介质,也是抗生素抗性基因赋存的汇。目前,抗生素抗性基因(ARGs)威胁全球公共健康,是人类面临的最为紧迫的环境污染风险之一。不同于传统化学品污染物,ARGs可依赖细菌宿主而自行增殖和传播,易受到多重环境介质的影响,这是导致其风险不完全可控的主因。本研究以取代性芳香族衍生物为例,研究了暴露于痕量芳香族衍生物下的游离态ARGsEPS界面、横向进入宿主细胞内的效率和效应,以全新的角度揭示芳香族与ARGs“狼狈为奸”,加剧基因污染风险的“帮凶”机制。

一些重要研究论文指出,重金属或芳香族衍生物等污染土壤或水体中,ARGs丰度往往更高,且两者成正相关。传统观点认为,该相关可能与两类基因的共选择有关。然而,该机制仅限于解释细菌细胞内“重金属-ARGs”间内在基因调节的关联性,并不能被用来阐释其它污染物引起的ARGs风险增加现象。这暗示,很可能存在一条完全不为所知的胞外协同机制,增加ARGs横向扩散风险1)。

 

1抗生素抗性基因ARGs)与污染物的来源及环境关联性

 

研究者首先模拟真实的自然体系,定量研究了暴露于胞外的“痕量芳香族衍生物(苯胺类、硝基苯类、氯苯和酚类等)与游离态ARGs载体—质粒”的耦合,发现相比于纯质粒体系,结合衍生物的质粒内ARGs进入新宿主细胞的效率更高。那么,是什么原因让取代性芳香族衍生物“助纣为虐”,成为ARGs风险传播的“帮凶”呢?研究者们自然而然地把这一协同增强机制与细菌宿主表面的EPS壁障相联系

研究发现,当移除这些宿主细菌表面的EPS,痕量芳香族衍生物(苯胺类、硝基苯类和酚类等)暴露后的ARGs横向迁移入宿主细胞的效率又上一层。显然,芳香族衍生物和减小的细胞表面EPS覆盖均有助于ARGs迁移风险的增加。主要原因是什么?进一步通过EPS-芳香烃衍生物-质粒”三相反应体系验证,证实:细胞表面EPS介质中存在一种被称为“DNA水解酶”的屏障,能够水解外源质粒;而芳香烃衍生物-质粒的结合体抑制EPSARGs破坏,保持ARGs载体的完整性,促进迁移、扩散(2)!

 

2芳香族衍生物协同ARGsEPS壁障传播的示意图(来源:ACS

让研究者们感兴趣的是:取代性芳香族衍生物与ARGs如何相爱EPS又如何与ARGs相杀?三者博弈的关键位点是什么?这一连串的疑问让研究者们感到意犹未尽,因为这决定了ARGs活性的衰减、可迁移性、和传播风险,意义重大。通过对实验与模型计算进一步相互印证分析,研究者们发现芳香族衍生物可依赖于自身羟基、氨基等取代基,通过氢键与质粒外围磷酸骨架上的氧结合。巧合的是,该位点附近恰恰是EPS水解酶作用于质粒的竞争位点。“衍生物-质粒”的结合客观上瓦解了EPS水解酶防御系统、“狼狈为奸”,终成“帮凶”。

目前,科学界早已了解土壤与沉积物中的抗生素塑造ARGs,但对ARGs传播“帮凶”的角色知之甚少。取代基芳香族衍生物的存在,可能放大原本低强度抗生素污染系统中的ARGs风险。因此,当进行ARGs环境迁移、衰减、风险评估与修复的相关研究时,需要综合考虑芳香族衍生物、甚至其它强化因素在ARGs风险调控方面的环境“帮凶”角色。

该研究近期发表在Environmental Science & Technology上。该工作主要部分由寿炜君硕士研究生完成,后期由我院环境科学专业的黄姝晗、严纯耀、周佳信和王艺锦四位本科生分工完成。通讯作者为我院康福新副教授。本研究获得国家自然科学基金面上基金、中央高校科研经费、国家博士后科研项目和国家级本科生科研创新项目支持!

论文链接地址:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.8b05750?src=recsys

延伸阅读

Fuxing Kang, Xiaojie Hu, Juan Liu, and Yanzheng Gao*. Noncovalent binding of polycyclic aromatic hydrocarbons with genetic bases reducing the in vitro lateral transfer of antibiotic resistant genes. Environ. Sci. Technol. 2015, 52, 457−466. (非取代性的芳香烃分子尺寸控制的“空间位阻效应”、“非/弱极性间疏水作用”主导 “碱基-芳香烃”的结合,该结合破坏基因的遗传效应。)

Weijun Shou, Fuxing Kang,* and Jiahao Lu. Nature and value of freely dissolved EPS ecosystem services: Insight into molecular coupling mechanisms for regulating metal toxicity. Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 457−466. (EPS控制重金属污染物的环境过程。重点探讨了游离态的EPS与传统重金属结合后,重金属迁移性和毒性的变化。)

联系作者康福星,博士,副教授,南京农业大学资源与环境科学学院。

E-mail: kang@njau.edu.cn or kangfuxing@126.com

 

 

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