电子课件第五章 合成生物学-环境治理应用.ppt

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2、学 生命学院生命学院5.3 5.3 合成生物学应用于环境治理合成生物学应用于环境治理 随着现代工业的不断发展，当今世界面临着严重的环随着现代工业的不断发展，当今世界面临着严重的环境问题。数量、种类日益增多的环境污染物迫切需要发展境问题。数量、种类日益增多的环境污染物迫切需要发展新的快速、灵敏、准确监测和处理环境污染的有效方法。新的快速、灵敏、准确监测和处理环境污染的有效方法。合成生物学理论、方法和技术的飞速发展，使我们可合成生物学理论、方法和技术的飞速发展，使我们可以有目标地设计、改造乃至重新合成、创造以有目标地设计、改造乃至重新合成、创造“人工细菌人工细菌”让其大显身手，用以监测土壤、工厂、

3、河流、海洋和大气让其大显身手，用以监测土壤、工厂、河流、海洋和大气中的污染，并分解这些污染物，达到污染物的生物治理和中的污染，并分解这些污染物，达到污染物的生物治理和净化环境的目的。净化环境的目的。砷砷（As）又名砒，是一种广泛分布于自然界的非金属。又名砒，是一种广泛分布于自然界的非金属。早在四千多年前，我国人民就知道雄黄早在四千多年前，我国人民就知道雄黄(As(As4 4S S4 4)酒有杀菌、酒有杀菌、驱虫的功效。炼丹家用雄黄作炼制驱虫的功效。炼丹家用雄黄作炼制“长生丹长生丹”的原料。的原料。罗马的马格努斯直到罗马的马格努斯直到12501250年才发现了砷，这比中国的炼丹年才发现了砷，这比

4、中国的炼丹家晚了家晚了600600多年。多年。砷简介砷简介在工业上，砷应用于有色金属合金生产中可提高其硬度；在工业上，砷应用于有色金属合金生产中可提高其硬度；用于新型电子工业的砷化镓是一种半导体材料，在遥控，用于新型电子工业的砷化镓是一种半导体材料，在遥控，遥测航海，航天自动化等技术领域中有广阔的发展前景。遥测航海，航天自动化等技术领域中有广阔的发展前景。在制革工业上用砷保护鸟类的羽毛及其他的动物毛皮。在制革工业上用砷保护鸟类的羽毛及其他的动物毛皮。在农业上用作除草剂，杀虫剂，杀鼠剂，土壤消毒剂等。在农业上用作除草剂，杀虫剂，杀鼠剂，土壤消毒剂等。医学上用于治疗梅毒，变形虫等。医学上用于治疗梅

5、毒，变形虫等。砷化物还用于木材防腐，染料，涂料，玻璃脱色等方面。砷化物还用于木材防腐，染料，涂料，玻璃脱色等方面。砷应用砷应用 arsenarsen在希腊文中是在希腊文中是“强烈强烈”的意思，说明当时希腊的意思，说明当时希腊已知道砷化物有强烈的毒性。砷的急性中毒致死量为已知道砷化物有强烈的毒性。砷的急性中毒致死量为0.20.6g0.20.6g，表现为鼻孔出血至全身出血；长期少量的摄入，表现为鼻孔出血至全身出血；长期少量的摄入也会引起砷的慢性中毒，会引发胃痛，恶心，肝肿大及皮也会引起砷的慢性中毒，会引发胃痛，恶心，肝肿大及皮肤病等。肤病等。我国古代人民也早已认识到砷化物的毒性，三氧化二我国古代人

6、民也早已认识到砷化物的毒性，三氧化二砷在我国古代文献中被称作为砒霜或砒石。这个砷在我国古代文献中被称作为砒霜或砒石。这个“砒砒”字字由由“貔貔”而来。貔传说是一种吃人的凶猛野兽。而来。貔传说是一种吃人的凶猛野兽。齐民要齐民要术术中也提到：雄黄、雌黄研成粉末，与胶水泥和，浸纸中也提到：雄黄、雌黄研成粉末，与胶水泥和，浸纸可防虫蠹。可防虫蠹。砷的毒性砷的毒性砷化物通常经人口进入肠胃，进入后会蓄积于肝肾肺骨骼等砷化物通常经人口进入肠胃，进入后会蓄积于肝肾肺骨骼等部位，特别是在毛发指甲中贮存。呼吸道吸入蒸汽或粉尘会部位，特别是在毛发指甲中贮存。呼吸道吸入蒸汽或粉尘会引起局部刺激粘膜或全身中毒症状。砷化

7、物对皮肤也有急剧引起局部刺激粘膜或全身中毒症状。砷化物对皮肤也有急剧毒性，皮肤接触可发生皮炎，湿疹，严重的会出现溃疡。毒性，皮肤接触可发生皮炎，湿疹，严重的会出现溃疡。长期摄入低剂量的砷，经过十几年甚至几十年的体蓄积才发长期摄入低剂量的砷，经过十几年甚至几十年的体蓄积才发病，慢性中毒主要表现在发生肝硬变，肝肿大，末梢神经炎病，慢性中毒主要表现在发生肝硬变，肝肿大，末梢神经炎和神经衰弱症，候群的症状，皮肤色素高度沉着和皮肤高度和神经衰弱症，候群的症状，皮肤色素高度沉着和皮肤高度角化。角化。急性中毒常见于口服毒物一小时后发生咽干，口渴，流涎，急性中毒常见于口服毒物一小时后发生咽干，口渴，流涎，持续

8、呕吐，剧烈腹痛，腹泻，恶心，剧烈头痛，四肢痉挛，持续呕吐，剧烈腹痛，腹泻，恶心，剧烈头痛，四肢痉挛，心力衰竭或尿闭，抢救不及时可造成死亡。心力衰竭或尿闭，抢救不及时可造成死亡。砷污染的来源砷污染的来源常用的砷检测方法常用的砷检测方法GutzeitGutzeit氏砷检测法氏砷检测法半定量检测半定量检测 分析时间长、误差大分析时间长、误差大 检出限检出限50ppb50ppb砷离子检测器砷离子检测器 检出限检出限0.006 mg/L0.006 mg/L国标（国标（GB/T 5009.11-2003GB/T 5009.11-2003）操作复杂操作复杂 检出限检出限0.01 mg/Kg0.01 mg/K

9、gB.银盐法测定砷含量装置A.砷离子检测器 世界卫生组织规定的饮用水中砷离世界卫生组织规定的饮用水中砷离子子浓度不能超过浓度不能超过10ppb10ppb，当水中的砷离，当水中的砷离子浓度达到子浓度达到30ppb30ppb的时候就会对人体有的时候就会对人体有显著伤害，引发一系列砷中毒现象。而显著伤害，引发一系列砷中毒现象。而目前砷的检测方法难以达到世界卫生组目前砷的检测方法难以达到世界卫生组织要求的标准。织要求的标准。Synthetic BiologySynthetic BiologyInternational Genetically Engineered Machine Competition

10、 2006 2006年由年由MITMIT举行的遗传工程设计比赛中，爱丁堡大举行的遗传工程设计比赛中，爱丁堡大学一研究小组设计和构建出一种能够监测水中砷含量的学一研究小组设计和构建出一种能够监测水中砷含量的生物传感器。理论上这种砷离子生物检测器的最低砷离生物传感器。理论上这种砷离子生物检测器的最低砷离子检测限为子检测限为5ppb5ppb。该设计的原理是：该探测器以砷敏感基因为基础，设计构该设计的原理是：该探测器以砷敏感基因为基础，设计构建了一个代谢通路。当水中砷含量超过正常水中砷的水平建了一个代谢通路。当水中砷含量超过正常水中砷的水平时，就会刺激该细菌中一系列基因的表达并最后合成出酸时，就会刺激

11、该细菌中一系列基因的表达并最后合成出酸性物质，然后通过性物质，然后通过pHpH检测的方法非常容易的监测出来。这检测的方法非常容易的监测出来。这种方法灵敏度高，操作简便，成本低廉。种方法灵敏度高，操作简便，成本低廉。原理原理 We designed and modelled a system based on the arsenate-responsive promoter of the Escherichia coli arsenic detoxification system,using urease to increase pH in the absence of arsenate,and

12、-galactosidase(LacZ)to decrease pH in the presence of arsenate.two repressor proteinsArsR:responding to low concentrationsof arsenate or arseniteArsD:responding to higher concentrationsof arsenate or arseniteArsenic DetectorHigher amounts of arenate are presentpH Arsenic DetectorpH neutralLow amount

13、s of arenate are presentFig.1 pH response of E.coli JM109/pSB1A2-BBa_J33203(biosensor)to varying arsenate concentrations.Fig.2.Arsenic assays conducted with bromthymol blue as pH indicator.合成生物学在清除环境污染方面亦有广阔前景。合成生物学在清除环境污染方面亦有广阔前景。美国Berkley大学成功构建出一种能降解有机磷酸酯的假单胞菌工程植株。该工程菌能治理由有机磷酸酯物质(如杀虫剂)使用给土壤、食品和生态所

14、带来的污染。此外，通过合成生物学还有望构建出各种专门负责净化如二氧化硫、氮氧化合物、氨氮化合物、汞、氰化物等污染物的工程微生物体将对环境净化产生深远影响。Organophosphate pesticides and chemical warfare agents are powerful inhibitors of and very toxic to humans.胆碱酯酶胆碱酯酶 cholinesterase；神经元的突触：神经元的突触：synapseBiodegradation appears to be a more acceptable alternative than physica

15、l and chemical decontamination methods.An organism engineered to completely mineralize organophpsphhates would avoid the generation of potentially toxic hydrolysis products.The soil microorganism Pseudomonas putida was engineered with the pathways for mineralization of the organophosphate pesticide

16、parathion.P.putida was chosen because of its applicability to bioremediation.The first step in degradation is its hydrolysis to the metabolites dithyl thiophosphate(DETP)and p-nitrophenol(PNP).Fig.3 Pathway for parathion metabolismHydrolysis step:reduce of the acute toxicity by approximately 120-fol

17、d.The bacterial organophosphate hydrolase(OPH,EC8.1.3.1)catalyzes the hydrolysis of parathion as well as other organophosphorus compounds such as the pesticides coumaphos and diazinon and the chemical warfare agents soman,tabun,and sarin.OPH is encoded by the opd gene,which has been cloned and seque

18、nced from both Pseudomonas diminuta MG and Flavobacterium sp.ATCC27551.OPH is a homodimeric protein with a monomeric molecular weight of approximately 35 kDa.In order for an organism to use parathion as a source of carbon and energy,the organism must metabolize PNP.Two pathways for PNP degradation h

19、ave been proposed:one degrades PNP through hydroquinone and the other through 1,2,4-trihydroxybenzene.Both pathways converge at ketoadipate.ketoadipate can then be metabolized into trichloroacetic acid cycle intermediates by the ketoadipate pathway in Pseudomonas.In this work,we successfully introdu

20、ced opd and the PNP degradative operons into P.putida KT2442,allowing the organism to use parathion as a source of carbon and energy.pAWW04pSB337opdPNP degradative genesFig.4 The degradation of PNP by triplicate cultures of P.putida KT2440 harboring pSB337.OD600PNP concentrationParathion concentrati

21、onFig.5 The degradation of Parathion by a culture of P.putida KT2442 harboring pAWW04 and pSB337.Another recent example highlighted the ability to engineer E.coli to seek and destroy an environmental pollutant,the herbicide atrazine.An atrazine-responsive,RBS-based RNA switch was coupled to the cheZ

22、 gene to control cell motility,allowing cells to move along a gradient of the pollutant.Addition of an atrazine-catabolizing enzyme to the genetic system enabled degradation of atrazine into a nontoxic product.1.TNT：生物传感器(该项研究可用来探测地雷位置)麻省理工学院计算机工程师维斯领导的小组进行了为细胞编程的研究，他们首先为大肠杆菌编程使其在高浓度的化学物质中发出绿光，在感受到较

23、低浓度时发出红光，这样他们就可以作为一种生物传感器来检测目的物质的浓度。维斯目前正在研究另外一群称为“规则系统”的基因，他希望细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。环境方面其他应用实例找到不同污染物降解的关键基因，将其在某一菌株中组合，构建高效能的基因工程菌株，一菌多用，可同时降解不同的环境污染物质，极大发挥其改善环境、排除污染的潜力。美国学者Chakrabarty率先利用基因工程把4种假单胞菌的遗传基因组合到同一菌株中，从而创造出同时具有降解芳烃、萜烃和多环芳烃多种功能的超级菌株。2.消化环境中的污染物3.芳香烃类污染物的检测-iGEM2007 该装置由三部分组成：Bionsenser,感受环境中的苯、甲苯等芳香烃类化学分子存在，表达蛋白与这些化学分子结合启动phz基因的表达；phz基因表达的酶将分支酸转化为pyocyanin，这是一种电子载体，能将大肠杆菌代谢中产生的电子迅速转移；生物电池，转移到正极上的电子向负极转移，两电极之间有选择性透过膜，氢离子可以透过膜与负极上的电子结合，产生电信号。随着合成生物学的新兴和飞速发展，微生物在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景！