《Environmental Research》：In Silico Identification and characterisation of putative biphenyl degradation mechanism in gut-Derived Pediococcus pentosaceus
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Nazmi Harith-Fadzilah|Mohamad Syahmi Iskandar Sahran|Muhammad Fahmi Bin Khairil|Hajar Fauzan Ahmad马来西亚彭亨阿尔-苏丹阿卜杜拉大学工业科学与技术学院，Tun Khalil Yaak
Nazmi Harith-Fadzilah|Mohamad Syahmi Iskandar Sahran|Muhammad Fahmi Bin Khairil|Hajar Fauzan Ahmad
马来西亚彭亨阿尔-苏丹阿卜杜拉大学工业科学与技术学院，Tun Khalil Yaakob路26300号，Gambang，彭亨，马来西亚
摘要
多氯联苯（PCBs）在环境中长期存在，并通过食物链在生物体内积累。益生菌微生物提供了一种潜在策略，可以减少牲畜肠道中对PCBs的吸收。本研究旨在识别并表征从美洲大蠊（Periplaneta americana）肠道中分离出的Pediococcus pentosaceus QS-GN03_1菌株的联苯降解能力，以将其作为PCBs解毒的益生菌饲料添加剂。全基因组测序得到了大约1.86 Mbp的基因组序列，BUSCO完整性为98.3%。基因组注释显示存在一种假定的联苯-2,3-二醇1,2-双加氧酶（BphC；PPBPHCIII）同源物。对该基因周围的组成分析发现了一些非典型的基因组特征以及附近的IS481/ISNCY插入序列，这表明该基因位点是独立于其他通过水平基因转移获得的。启动子分析证实PPBPHCIII具有启动子元件，并且其结构与蛋白质数据库中的功能性BphC酶高度相似（RMSD差异为1.357 ?，参考Pseudomonas的BphC PDB ID: 1EIR）。分子对接和100 ns平均分子动力学（MD）模拟表明，2,3-二氯联苯配体能够稳定结合到由Fe（II）协调的保守活性位点上，主要通过静电和疏水相互作用。然而，自由配体的结合能计算表明PPBPHCIII的结合亲和力低于经过功能验证的1EIR复合物，这种差异主要是由于氢键形成的数量较少。尽管QS-GN03_1缺乏独立的PCBs矿化能力，但其中分离出的高度改良的基因表明该菌株可能通过水平基因转移获得了较大的操纵子，并由于缺乏选择压力而发生了还原性进化。在其基因组中发现天然的IS30家族插入序列，为合成生物学提供了将完整的操纵子整合到染色体中的机会，从而生成具有完整PCBs降解能力的QS-GN03_1菌株。
引言
多氯联苯（PCBs）是最持久的环境污染物之一，对生态系统、牲畜和人类健康构成长期威胁。这些合成氯化化合物曾因其化学稳定性而在工业中广泛使用，但已被许多国家禁止（联合国，2024年）。然而，它们强大的抗降解性和高亲脂性使其能够通过食物链在生物体内积累，污染农业土壤、饲料和动物产品（May和Mayes，2024年；Onozuka等人，2020年）。传统的修复方法对于大规模清理来说成本高昂且效率低下。因此，迫切需要可持续的生物解决方案。使用能够降解PCBs的细菌是一种有前景的环保策略，可以分解或脱氯这些化合物，减少其持久性并减轻其对环境和食品安全的危害。
PCBs的降解由一系列联苯双加氧酶（bph）基因催化，这些基因包括< />、< />和< />，它们聚集在< />操纵子中（Hayase等人，1990年）。这些多组分酶系统通过< />启动的脱羟基作用开始分解联苯核心，随后通过一系列酶促反应导致环裂解，最终生成氯苯甲酸、丙酮酸和乙醛（Furukawa和Fujihara，2008年；Xiang等人，2020年）。氯苯甲酸的亲脂性较低，更容易被细菌分解（van der Woude等人，1996年），因此对人类或动物的毒性较小，因为它们不易在脂肪组织中积累，也更容易被身体排出。此外，微生物还拥有< />，这是一种谷胱甘肽-S-转移酶（GST），可以降解氯苯甲酸，例如Burkholderia xenovorans LB400和Pseudomonas sp. CT14（Kikuchi等人，1995年；Shehu和Alias，2019年）。
虽然这种途径在这些传统土壤微生物中已被广泛研究，但其在整个微生物界中的分布范围尚未完全确定。特别是那些生活在受污染土壤和水体之外的细菌往往被忽视。例如，居住在人类或动物肠道中的有益细菌（统称为益生菌）是否具有降解环境污染物（包括联苯）的能力尚不清楚。识别这种能力可能提供一种新的策略，通过阻止联苯从肠道（其主要进入点）的吸收来减轻其生物积累。然而，益生菌通常不被认为具有< />基因簇。像美洲大蠊（Periplaneta americana）这样的共生昆虫的肠道是一个具有强烈选择压力的环境，这可能促进了强大微生物解毒系统的进化。由于这些昆虫在富含废物的栖息地中繁衍，它们的肠道微生物群可能会接触到各种污染物，包括来自受污染材料和土壤的PCBs。因此，它们的肠道细菌很可能具有解毒对这些宿主生物有害的污染物的机制。这些新的肠道细菌反过来可以作为益生菌应用于动物饲料中，增强动物生物去除饲料中环境污染物的能力。
本研究的目的是从美洲大蠊中分离出的有益细菌P. pentosaceus中识别和表征潜在的新联苯降解系统。通过全基因组测序和功能注释来识别假定的联苯双加氧酶（BDO）基因。然后使用in silico方法进一步分析，以预测这些基因的起源、表达能力、三维（3D）蛋白质结构、底物结合位点以及对各种PCB同系物的结合亲和力。
章节片段
样品收集与制备
在马来西亚彭亨阿尔-苏丹阿卜杜拉大学Gambang校区的垃圾倾倒区收集了死亡的美洲大蠊（Periplaneta americana）。通过无菌解剖方法收集了蠊的胃肠道内容物。然后将样品稀释在de Man、Rogosa和Sharpe（MRS）培养基琼脂中，然后在30°C下培养，直到有足够的微生物菌落可供收集和分析（Corry等人，2003年）。
基因组分析、菌株鉴定和水平基因转移分析
成功从蠊的肠道中分离并培养出了Pediococcus pentosaceus菌株QS-GN03_1，并在MRS培养基中进行了培养。使用Oxford Nanopore进行的全基因组测序产生了大约1.856 Mbp大小的草图基因组，G+C含量为37.3%，N50长度为57.3 kbp（表1）。BUSCO报告称该基因组具有94.7%的完整性，其中94.6%为单拷贝基因，0.1%为重复基因（图S1）。
平均核苷酸同一性（ANI）
讨论
PCBs由一个被氯取代的联苯核心组成。它们具有化学稳定性，许多行业将其作为添加剂用于从油漆到纸张的各种产品中，但也使其在环境中高度持久。其联苯芳香环结构具有高亲脂性，导致在植物和动物体内通过食物链积累（May和Mayes，2024年；Wang等人，2025年）。联苯的降解途径是必不可少的
结论
我们从美洲大蠊（P. americana）的肠道中分离并表征了P. pentosaceus QS-GN03_1，以寻找基于益生菌的解决方案来减轻牲畜体内的PCBs积累。基因组分析显示，该菌株仅具有一个联苯降解途径的同源物PPBPHCIII，没有其他< />基因的显著或完整痕迹。研究表明，QS-GN03_1可能仅通过水平基因转移（HGT）获得了< />基因，或者失去了其余的操纵子
伦理声明
由于本研究不涉及活体动物样本，因此此声明不适用。
CRediT作者贡献声明
Hajar Fauzan Ahmad：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。Muhammad Fahmi Bin Khairil：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，研究，正式分析，数据管理。Mohamad Syahmi Iskandar Sahran：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿
未引用参考文献
Jensen, 1972; May和Mayes, 2024.
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
生成式AI使用声明
AI工具仅用于提高本手稿的写作质量。它没有用于生成手稿中的任何内容，包括图表和表格。
资金支持
本工作得到了马来西亚彭亨阿尔-苏丹阿卜杜拉大学的UMP资助 [PDU223001–1]的支持。
利益冲突声明
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致谢
本研究是为马来西亚彭亨阿尔-苏丹阿卜杜拉大学的微生物基因组学课程设计的。我们感谢Nurwardina Balqis Binti Mohd Isa、Nur Aisyah Binti Zulkifli、Nur Syakirah binti Syahrillizam、Nur Liyana Binti Ismail、Teo Lee Sha、Nurul Faradiana Adnan、Tong Jing Cheng、Lam Jing Yi、Fakhrul Shah Afiq Khuzairi Bin Jaffery和Chua Kit Yi在完成该项目中的帮助。
