Alterazione delle espressioni proteiche intracellulari come meccanismo chiave del deterioramento della denitrificazione batterica causato dalle nanoparticelle di ossido di rame

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 15824 (2015) Citare questo articolo

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La crescente produzione e utilizzo di nanoparticelle di ossido di rame (CuO NP) determinano il rilascio nell'ambiente. Tuttavia, l’influenza delle NP CuO sulla denitrificazione batterica, uno dei percorsi più importanti per trasformare il nitrato in diazoto nell’ambiente, è stata studiata raramente. Qui abbiamo riportato che le NP CuO hanno causato un'alterazione significativa delle espressioni proteiche chiave di un denitrificatore modello, Paracoccus denitrificans, portando a una grave inibizione della denitrificazione. L’efficienza di rimozione totale dell’azoto è diminuita dal 98,3% al 62,1% con l’aumento delle NP di CuO da 0,05 a 0,25 mg/L. Studi sulla morfologia e sull'integrità cellulare hanno indicato che le nanoparticelle sono entrate nelle cellule. L'analisi bioinformatica proteomica ha mostrato che le NP CuO provocano la regolazione delle proteine ​​coinvolte nel metabolismo dell'azoto, nel trasferimento di elettroni e nel trasporto di sostanze. La down-regulation della proteina GtsB (responsabile del trasporto del glucosio) ha ridotto la produzione di NADH (donatore di elettroni per la denitrificazione). Inoltre, le espressioni delle proteine ​​chiave per il trasferimento degli elettroni (tra cui la NADH deidrogenasi e il citocromo) sono state soppresse dalle NP CuO, che hanno influenzato negativamente il trasferimento degli elettroni per la denitrificazione. Ulteriori indagini hanno rivelato che le NP di CuO inibiscono significativamente le espressioni e le attività catalitiche della nitrato reduttasi e della nitrito reduttasi. Questi risultati hanno fornito una comprensione fondamentale delle influenze negative delle NP di CuO sulla denitrificazione batterica.

Il ciclo dell'azoto, uno dei cicli biogeochimici primari della biosfera, realizza la trasformazione dell'azoto in diverse forme nell'atmosfera, nell'acqua, nel terreno e negli organismi. Il processo di denitrificazione, che converte il nitrato in diazoto e restituisce l'elemento azoto nell'atmosfera, è di grande importanza per la stretta relazione con il cambiamento climatico globale, la qualità dell'acqua e la salute dell'ecosistema1. Essendo gli esecutori di denitrificazione più ampiamente distribuiti, i batteri denitrificanti realizzano la riduzione del nitrato attraverso una serie di processi biologici. Le reazioni metaboliche denitrificanti sono infine controllate da varie proteine ​​funzionali, come le proteine ​​di trasferimento degli elettroni e gli enzimi denitrificanti. È stato riportato che l'espressione di queste proteine ​​determina il metabolismo cellulare dei denitrificanti2,3.

Con il rapido sviluppo delle nanotecnologie, i nanomateriali ingegnerizzati sono stati ampiamente applicati in vari campi, come la biomedicina, la sintesi dei materiali e la catalisi chimica4,5. È stato riferito che i nanomateriali potrebbero avere effetti negativi sulle cellule umane6,7,8, sulle piante9 e sui batteri modello10. In particolare, grazie alle eccezionali proprietà antimicrobiche, le nanoparticelle di ossido di rame (CuO NP) sono state ampiamente applicate nei tessuti antimicrobici, nella conservazione del legno, nelle vernici antivegetative e nei biocidi agricoli11,12. È stato riferito che la produzione globale di NP di CuO era di 570 tonnellate nel 2014 e la produzione stimata sarebbe stata di 1600 tonnellate entro il 202513. Pertanto, l’aumento della produzione e dell’utilizzo di NP di CuO comportano il loro rilascio intenzionale o non intenzionale nell’ambiente14. Sebbene la tossicità delle NP di CuO su alcuni organismi modello, come cellule umane o alghe, sia stata ampiamente studiata15,16, la ragione principale è stata attribuita alla generazione di specie reattive dell'ossigeno (ROS)4, che potrebbero portare alla lesione del DNA o regolazione genetica9,15. È noto che le proteine, prodotti finali dell'espressione genica, sono gli esecutori terminali di specifici processi biologici, come la catalizzazione di reazioni metaboliche e il trasporto di sostanze. Pertanto, una volta che le espressioni proteiche fossero significativamente influenzate, la crescita e i processi metabolici globali verrebbero alterati17.

Durante la denitrificazione la fonte di carbonio extracellulare (come il glucosio) deve essere trasportata nelle cellule prima di essere utilizzata per la crescita microbica e la denitrificazione18,19,20. È stato ben documentato che il processo di trasporto del glucosio si realizza attraverso la cooperazione di diverse proteine ​​importanti, come la proteina legante i soluti (GtsA), la proteina della membrana interna (GtsB e GtsC) e la proteina legante l’ATP (MalK)21. Inoltre, la denitrificazione batterica è una serie di reazioni redox sequenziali basate sul trasferimento di elettroni. Nella catena di trasferimento degli elettroni, gli elettroni vengono consegnati in sequenza dalle proteine ​​di trasferimento degli elettroni come il citocromo bc1, il citocromo ce dagli enzimi denitrificanti22. Inoltre, quattro enzimi denitrificanti chiave, nitrato reduttasi (NAR), nitrito reduttasi (NIR), ossido nitrico reduttasi (NOR) e ossido nitroso reduttasi (N2OR), catalizzano sequenzialmente le reazioni di riduzione dal nitrato all'azoto. Studi precedenti hanno indicato che i cambiamenti delle proteine ​​chiave di trasporto degli elettroni o degli enzimi denitrificanti influiscono sulle prestazioni di denitrificazione23,24,25. Tuttavia, le influenze dei nanomateriali ingegnerizzati sulle espressioni e sulle funzioni delle proteine ​​funzionali intracellulari batteriche denitrificanti sono state raramente documentate.