天然的造毒師---將汞轉(zhuǎn)化為甲基汞的微生物

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2016-07-25 10:25:00【大中小】

汞是一種毒性物質(zhì)，主要通過煤炭燃燒、工業(yè)使用以及通過火山爆發(fā)等自然過程在全球進(jìn)行擴(kuò)散。這種化學(xué)元素在水生食物鏈中大量積累，特別是大型魚類體內(nèi)。不同形式的汞在沉積物和水中廣泛地發(fā)現(xiàn)到。

甲基汞（methyl mercury）是由汞產(chǎn)生的，被公認(rèn)為強(qiáng)大的神經(jīng)毒素。它是一種具有神經(jīng)毒性的環(huán)境污染物，主要侵犯中樞神經(jīng)系統(tǒng)，可造成語(yǔ)言和記憶能力障礙等。其損害的主要部位是大腦的枕葉和小腦，其神經(jīng)毒性可能擾亂谷氨酸的重?cái)z取和致使神經(jīng)細(xì)胞基因表達(dá)異常。與從礦山和工廠排放的污染物無(wú)機(jī)汞不同，甲基汞能通過血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)并穿過胎盤達(dá)到發(fā)育中的胎兒體內(nèi)。

甲基汞污染環(huán)境

約40年前，科學(xué)家們就已經(jīng)知道，當(dāng)汞被釋放到環(huán)境中時(shí)，某些細(xì)菌可將它轉(zhuǎn)變?yōu)閯《镜募谆Ｈ欢?xì)菌確切是如何做到這一點(diǎn)的，一直困擾著科學(xué)家們。他們面臨的挑戰(zhàn)是要找到能夠轉(zhuǎn)移甲基基團(tuán)的蛋白，并鑒別出負(fù)責(zé)甲基汞生成過程的基因。

2013年3月，來(lái)自美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）的研究人員解答了這個(gè)謎題，提供了微生物汞甲基化（microbial mercury methylation）這一過程的遺傳基礎(chǔ)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

通過結(jié)合化學(xué)原理和基因組序列，研究人員鑒別出了兩個(gè)基因。他們將之命名為hgcA和hgcB。研究人員通過實(shí)驗(yàn)將兩個(gè)菌株中的這些基因一次除去，從而獲得了喪失甲基汞生成能力的突變體，然后再插入這些基因又能夠重新回復(fù)甲基汞生成能力，由此驗(yàn)證了這一研究發(fā)現(xiàn)。

研究人員發(fā)現(xiàn)在所有已知的汞甲基化細(xì)菌中均存在這兩個(gè)基因簇，他們預(yù)測(cè)有超過50種其他的微生物具有相似的一對(duì)基因，因此能夠發(fā)生汞甲基化產(chǎn)生。

2015年10月，ORNL科學(xué)家Mircea Podar和同事們?cè)趤?lái)自世界各地、各種動(dòng)物、從甲殼蟲到人類的樣本中更廣泛地尋找了這些基因。他們的研究表明，甲基汞由生活在比我們想象的更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)中的更多細(xì)菌種類產(chǎn)生。

令人吃驚的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是一些甲基化基因的最高拷貝數(shù)來(lái)自北極阿拉斯加的融化凍土。這是一個(gè)值得人們關(guān)注的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殡S著氣候變化，每年的雪融化將繼續(xù)讓汞污染物從融化的雪走進(jìn)它可以轉(zhuǎn)變成甲基汞的苔原。

另一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)是廢水處理廠和生物反應(yīng)器似乎有產(chǎn)生甲基汞基因的細(xì)菌。未來(lái)，在作為一個(gè)整體的細(xì)菌群落中，對(duì)基因激活的研究可以有助揭示在這些設(shè)施中是否有大量的甲基汞產(chǎn)生。這個(gè)團(tuán)隊(duì)也在幾個(gè)水樣中發(fā)現(xiàn)甲基汞基因似乎屬于之前還沒有在體外成功培養(yǎng)或測(cè)序的細(xì)菌之中，這提示著暗示這種甲基汞的產(chǎn)生可能極其常見的。

重要的是，這些基因不出現(xiàn)在人類腸道中------或者顯然地，更一般地不出現(xiàn)在哺乳動(dòng)物的腸道菌群中。鳥類也缺乏它們。但它們存在于這個(gè)團(tuán)隊(duì)研究的無(wú)脊椎動(dòng)物微生物組中。

另一個(gè)神秘的缺席是廣闊的海洋。海洋魚類是地球上大多數(shù)甲基汞的最大來(lái)源，因此從人類風(fēng)險(xiǎn)角度來(lái)看，人們有必要了解甲基汞是在哪里產(chǎn)生的。然而，即使海洋魚類最終攝入甲基汞，然后將它傳遞給人類，研究人員發(fā)現(xiàn)這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的細(xì)菌似乎并不具有這些基因。這很可能只是因?yàn)檫@些基因不存在于采樣部分的海洋，在不同深度的細(xì)菌應(yīng)當(dāng)有它們，或者海洋中的甲基汞可能來(lái)自一種不同的非細(xì)菌性的來(lái)源。研究人員已經(jīng)進(jìn)一步收集海洋樣品準(zhǔn)備再進(jìn)行研究一下。

通過揭示汞甲基化在哪里發(fā)生和在哪里不會(huì)發(fā)生，研究人員希望能夠破解這個(gè)持久的迷題------為什么細(xì)菌首先進(jìn)化出產(chǎn)生甲基汞的能力。

在最新的一項(xiàng)研究中，辣子美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）的研究人員開發(fā)出的分子探針可讓環(huán)境科學(xué)家們能夠更加高效地檢測(cè)將環(huán)境中的汞轉(zhuǎn)換毒性更強(qiáng)的甲基汞所需的基因。相關(guān)研究結(jié)果于2016年7月15日在線發(fā)表在Applied and Environmental Microbiology期刊上，論文標(biāo)題為“Development and Validation of Broad-Range Qualitative and Clade-Specific Quantitative Molecular Probes for Assessing Mercury Methylation in the Environment”。

論文第一作者、博士后和ORNL科學(xué)家Geoff Christensen說，“如今，我們有一種快速的簡(jiǎn)單易用的能夠在任何環(huán)境中應(yīng)用的工具來(lái)測(cè)試能夠讓汞發(fā)生甲基化的微生物，并確定這些微生物存在的數(shù)量。”

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員在31種已知能夠產(chǎn)生甲基汞的微生物菌株中測(cè)試了這些探針，確診率為94%。這種驗(yàn)證程序是至關(guān)重要的，這是因?yàn)樗兄谠谙乱徊街校瑢⑦@些探針用于野外以便協(xié)助確定任何給定環(huán)境中可能產(chǎn)生的甲基汞含量。

論文共同作者、ORNL生物科學(xué)處科學(xué)家Dwayne Elias說，一種潛在的應(yīng)用就是測(cè)試污水處理廠的出水、過濾物和沉積物。這種測(cè)試可能能夠廉價(jià)地和快速地開展，并且提供至關(guān)重要的信息給環(huán)境管理者、公用事業(yè)公司和政府。

Elias說，“我們?cè)谝患覐U水處理廠發(fā)現(xiàn)了這些基因，因此它們很可能也存在于其他地方。”

開發(fā)這些分子探針和它們的驗(yàn)證方法代表著人們朝更好地理解微生物汞甲基化過程和設(shè)計(jì)出降低這種健康風(fēng)險(xiǎn)的方法又邁出一步。

參考資料：

【1】New tool probes for genes linked to toxic methylmercury

【2】The Genetic Basis for Bacterial Mercury Methylation
Science, 15 Mar 2013, doi:10.1126/science.1230667

【3】Global prevalence and distribution of genes and microorganisms involved in mercury methylation
Science Advances, 09 Oct 2015, doi:10.1126/sciadv.1500675

【4】Development and Validation of Broad-Range Qualitative and Clade-Specific Quantitative Molecular Probes for Assessing Mercury Methylation in the Environment
Applied and Environmental Microbiology, published online:15 July 2016, doi: 10.1128/AEM.01271-16