Altération des expressions protéiques intracellulaires comme mécanisme clé de la détérioration de la dénitrification bactérienne provoquée par les nanoparticules d'oxyde de cuivre

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 15824 (2015) Citer cet article

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La production et l’utilisation croissantes de nanoparticules d’oxyde de cuivre (CuO NP) entraînent des rejets dans l’environnement. Cependant, l’influence des NP de CuO sur la dénitrification bactérienne, l’une des voies les plus importantes de transformation du nitrate en diazote dans l’environnement, a rarement été étudiée. Nous avons signalé ici que les NP de CuO provoquaient une altération significative des expressions protéiques clés d'un dénitrifiant modèle, Paracoccus denitrificans, conduisant à une inhibition sévère de la dénitrification. L’efficacité totale d’élimination de l’azote a diminué de 98,3 % à 62,1 % avec l’augmentation des NP de CuO de 0,05 à 0,25 mg/L. Des études sur la morphologie et l'intégrité cellulaire ont indiqué que des nanoparticules pénétraient dans les cellules. L'analyse bioinformatique protéomique a montré que les NP de CuO entraînaient la régulation des protéines impliquées dans le métabolisme de l'azote, le transfert d'électrons et le transport de substances. La régulation négative de la protéine GtsB (responsable du transport du glucose) a diminué la production de NADH (donneur d'électrons pour la dénitrification). En outre, les expressions des protéines clés de transfert d'électrons (notamment la NADH déshydrogénase et le cytochrome) ont été supprimées par les NP de CuO, ce qui a nui au transfert d'électrons pour la dénitrification. Une enquête plus approfondie a révélé que les NP de CuO inhibaient de manière significative les expressions et les activités catalytiques de la nitrate réductase et de la nitrite réductase. Ces résultats ont permis une compréhension fondamentale des influences négatives des NP de CuO sur la dénitrification bactérienne.

Le cycle de l'azote, l'un des principaux cycles biogéochimiques de la biosphère, réalise la transformation de l'azote sous différentes formes dans l'atmosphère, l'eau, la terre et les organismes. Le processus de dénitrification, qui convertit le nitrate en diazote et renvoie l'élément azote dans l'atmosphère, revêt une grande importance en raison de son lien étroit avec le changement climatique mondial, la qualité de l'eau et la santé des écosystèmes1. En tant qu’agents de dénitrification les plus largement répandus, les bactéries dénitrifiantes réalisent la réduction des nitrates via une série de processus biologiques. Les réactions métaboliques dénitrifiantes sont finalement contrôlées par diverses protéines fonctionnelles, telles que les protéines de transfert d'électrons et les enzymes dénitrifiantes. Il a été rapporté que les expressions de ces protéines déterminaient le métabolisme cellulaire des dénitrifiants2,3.

Avec le développement rapide de la nanotechnologie, les nanomatériaux manufacturés ont été largement appliqués dans divers domaines, tels que la biomédecine, la synthèse de matériaux et la catalyse chimique4,5. Il a été rapporté que les nanomatériaux pourraient avoir des effets négatifs sur les cellules humaines6,7,8, les plantes9 et les bactéries modèles10. En particulier, en raison de leurs propriétés antimicrobiennes exceptionnelles, les nanoparticules d'oxyde de cuivre (CuO NP) ont été largement utilisées dans les textiles antimicrobiens, la préservation du bois, les peintures antisalissures et les biocides agricoles11,12. Il a été rapporté que la production mondiale de NP de CuO était de 570 tonnes en 2014 et que la production estimée serait de 1 600 tonnes d'ici 202513. Par conséquent, la production et l'utilisation croissantes de NP de CuO entraînent leurs rejets intentionnels ou non dans l'environnement14. Bien que la toxicité des NP de CuO pour certains organismes modèles, tels que les cellules humaines ou les algues, ait été largement étudiée15,16, la raison principale a été attribuée à la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS)4, qui pourraient conduire à des lésions de l'ADN ou à des lésions de l'ADN. régulation des gènes9,15. Il est bien connu que les protéines, produits finaux de l’expression des gènes, sont les exécuteurs terminaux de processus biologiques spécifiques, tels que la catalyse des réactions métaboliques et le transport de substances. Par conséquent, une fois que les expressions des protéines seraient significativement affectées, la croissance et les processus métaboliques globaux seraient altérés17.

Lors de la dénitrification, la source de carbone extracellulaire (telle que le glucose) doit être transportée dans les cellules avant d'être utilisée pour la croissance microbienne et la dénitrification18,19,20. Il a été bien documenté que le processus de transport du glucose est accompli par la coopération de plusieurs protéines importantes, telles que la protéine de liaison au soluté (GtsA), la protéine de la membrane interne (GtsB et GtsC) et la protéine de liaison à l'ATP (MalK)21. De plus, la dénitrification bactérienne est une série de réactions redox séquentielles reposant sur le transfert d’électrons. Dans la chaîne de transfert d'électrons, les électrons sont délivrés séquentiellement par des protéines de transfert d'électrons telles que le cytochrome bc1, le cytochrome c et les enzymes dénitrifiantes22. De plus, quatre enzymes dénitrifiantes clés, la nitrate réductase (NAR), la nitrite réductase (NIR), l'oxyde nitrique réductase (NOR) et l'oxyde nitreux réductase (N2OR), catalysent séquentiellement les réactions de réduction du nitrate en azote. Des études antérieures ont indiqué que les modifications des principales protéines de transport d'électrons ou des enzymes dénitrifiantes affectaient les performances de dénitrification23,24,25. Cependant, les influences des nanomatériaux manufacturés sur les expressions et les fonctions des protéines fonctionnelles intracellulaires bactériennes dénitrifiantes ont rarement été documentées.