近日，上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室周宁一教授团队解析了两种二氯代硝基苯的代谢机理及其进化渊源。相关成果“A Nag-like dioxygenase initiates 3,4-dichloronitrobenzene degradation via 4,5-dichlorocatechol in Diaphorobactersp. strain JS3050” 发表于《Environmental Microbiology》，博士后高义舟为第一作者，周宁一教授和美国西佛罗里达大学的Jim C. Spain教授为通讯作者。另一成果“A recently assembled degradation pathway for 2,3-dichloronitrobenzene in Diaphorobactersp. strain JS3051”发表于《mBio》，博士后李涛为第一作者，周宁一教授为通讯作者。
环境中的化合物按照其来源不同可分为天然化合物和人工合成化合物，后者是随着近代工业发展而释放到环境中，相对来说存在的时间比较短。微生物能够通过快速进化而在相对较短的时间内获得代谢人工合成化合物的能力，因此在分子生物学与酶学水平研究微生物如何代谢人工合成化合物及其催化机理可为揭示细菌适应性进化机制提供重要线索。本研究对两株来自同一污染点的3,4-二氯硝基苯及2,3-二氯硝基苯降解菌的代谢途径及进化来源进行了分析与阐明。

图1 菌株Diaphorobactersp. strain JS3050中3,4-二氯硝基苯（上）及菌株Diaphorobactersp. strain JS3051中2,3-二氯硝基苯（下）的代谢途径及相关基因。
研究表明JS3030和JS3051均通过Rieske家族的非血红素双加氧酶催化3,4-二氯硝基苯和2,3-二氯硝基苯代谢起始的双加氧反应，分别生成4,5-二氯邻苯二酚和3,4-二氯邻苯二酚，后续由氯邻苯二酚1,2-开环酶催化开环反应形成二氯黏糠酸，并逐步进入TCA循环（图1）。尽管他们代谢途径相似，但其基因来源确大不相同。分析表明3,4-二氯硝基苯双加氧酶（Dcn）与2,4-二硝基甲苯双加氧酶来源相同，而2,3-二氯硝基苯双加氧酶（Dcb）与2-硝基苯双加氧酶来源更近（图2左）。通过分析硝基芳烃双加氧酶的结构发现，其活性口袋与底物取代基团的适配性决定了其进化来源（图2右）。本研究不仅揭示了两种难降解硝基芳烃的代谢途径及机制，同时拓宽了我们对于该类化合物的微生物代谢途径快速进化的认知。


图2 硝基芳烃双加氧酶系统发育树（上）及硝基芳烃双加氧酶活性中心展示（下）
周宁一教授团队长期从事硝基芳烃类化合物的生物降解研究。本工作是继该团队鉴定了2-氯硝基苯代谢途径（Applied and Environmental Microbiology）和表达调控（Applied and Environmental Microbiology），以及3-硝基甲苯代谢途径（Applied and Environmental Microbiology）等研究成果后的重要进展。相关工作得到了国家自然科学基金（31870084, 31700093，和31900075），国家重点研发专项(2018YFA0901200)，中国博士后科学基金(2019M661491)以及DuPont Corporate Remediation Group contract LBIO-65019的支持。
论文链接：
https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15295
https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.02231-21