Genome and proteome of long-chain alkane degrading Geobacillus thermodenitrificans NG80-2 isolated from a deep-subsurface oil reservoir
Proc Natl Acad Sci. USA，2007；104(13):5602-5607，影响因子9.598
Lu Feng, Wei Wang, Jiansong Cheng, Yi Ren, Guang Zhao, Chunxu Gao, Yun Tang, Xueqian Liu,Weiqing Han, Xia Peng, Rulin Liu, and Lei Wang*
石油是人类社会的能源支柱，同时也是环境污染物。石油微生物的研究是发展微生物采油和石油污染生物修复技术的重要基础。美国能源部的数据显示，微生物采油（通过降解长链烷烃或生成表面活性剂，降低重油黏度，提高流动性）能提高采油率10%～15%。目前全球探明储量的石油中，超过60%是黏度高、流动性差的重油，采用现有的技术无法开采。学术界对以长链烷烃为主的重油微生物降解机制一直缺乏了解，成为微生物采油技术遇到的最大难题之一。
学院自2003年开始，综合运用前沿的基因组学和功能基因组学研究方法和技术，以一株分离自我国大港油田的采油细菌-嗜热脱氮土壤芽孢杆菌（Geobacillus thermodenitrificans）NG80-2为突破点，全面系统地揭示了微生物降解长链烷烃的分子机制。完成了对NG80-2的基因组全序列的测定（基因组3.55Mb，质粒57.7kb）和全部基因的注释，分析了NG80-2主要的代谢网络和嗜热机制。在利用生物信息学手段预测所有可能参与烷烃降解的基因的基础上，采用荧光定量PCR和蛋白质二维电泳、质谱分析等转录组学及蛋白组学的方法对这些基因进行了进一步的筛选, 并用分子生物学和生物化学的方法进行了鉴定，最终揭示了长链烷烃的降解途径，该途径是包括长链烷烃羟化酶、醇脱氢酶、醛脱氢酶、脂酰基CoA连接酶及β-氧化途径的多酶体系，这是首次对微生物长链烷烃降解途径进行揭示。同时利用互补反应体系以及体外酶学方法确定了长链烷烃降解途径的关键蛋白—长链烷烃羟化酶（LadA）的功能。这是目前已完成功能鉴定的降解烷烃碳链最长（C15－C36）的羟化酶，与已有大量研究报道的中短链烷烃羟化酶相比具有更为显著的应用价值和优势。比较基因组学分析发现，NG80-2在获得降解长链烷烃的能力之前可能是一株土壤菌，并在较近的进化时间内从污染了石油的土壤的细菌中获得了氧化烷烃的能力。蛋白组学的结果揭示了NG80-2适应油层生存环境的机制，包括根据环境自主调控烷烃和糖类的代谢以及有氧及无氧代谢等。预测了4个新的芳香烃降解途径，识别了22个具有潜在工业应用价值的重要基因，并已完成其中部分基因的克隆、表达和功能鉴定。该研究对于石油污染的生物治理和微生物采油技术的革新具有重要意义，为我国进一步发展具有自主知识产权的新一代微生物采油和石油污染修复技术奠定了坚实的基础。
该研究成果于2007年3月在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 《美国国家科学院院刊》上发表 (Lu Feng, et al, Lei Wang. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104:5602-5607)，引起了国内外新闻媒体的较大关注。学院院长王磊教授为文章的责任作者。
2007年10月Nature Reviews Microbiology发表的《新闻与分析》（News & Analysis）文章（Alan Walker, et al, Nature Reviews Microbiology. 5(10):748-9）重点介绍了针对NG80-2开展的研究工作。此外，该成果获得了2007年度教育部 “中国十大科技进展”奖。