金黄绒泡菌GZ381对锐钛矿型纳米二氧化钛的分子响应特征及其抗污染应用研究

推荐：针对纳米二氧化钛(nTiO2)环境污染加剧的现状，研究人员通过多组学分析和基因操作技术，揭示了金黄绒泡菌(Physarum melleum)GZ381通过circRNA08121介导的ceRNA网络调控代谢重编程抵抗nTiO2-A胁迫的分子机制，并据此设计出可显著提升多种细胞对30-90 nm nTiO2-A耐受性的缓解方案，为纳米材料污染治理提供了新思路。

　　

随着纳米二氧化钛(nTiO₂)在医疗、化工、能源等领域的广泛应用，其全球年产量已突破40万吨，导致地表水年均浓度增长超20 ng/L，引发严峻的环境污染问题。这种具有光催化活性的纳米颗粒能通过产生活性氧(ROS)破坏细胞膜结构、引发DNA损伤和代谢紊乱，其中30 nm左右的锐钛矿型nTiO₂-A毒性尤为显著。面对这一环境挑战，传统治理策略如材料改性和物理隔离存在应用局限，亟需开发基于生物抗性机制的新型解决方案。

研究人员在前期研究中意外发现金黄绒泡菌(Physarum melleum)GZ381对nTiO₂-A表现出显著耐受性。为揭示其分子机制，研究团队采用多组学联用技术，通过mRNA测序发现代谢通路基因的显著响应，结合代谢组学检测到氨基酸、核苷酸等50余种小分子代谢物(SMM)的变化。进一步通过circRNA测序和miRNA pull-down实验，鉴定出关键circRNA08121通过吸附miR-883-y等4种miRNA形成竞争性内源RNA(ceRNA)网络，调控ASS1等9个代谢基因的表达。遗传操作证实，上调circRNA08121可使菌株耐受浓度(MNIC)提升1.4倍。基于此，团队设计三类缓解方案：I型添加代谢物组合、II型引入circRNA08121、III型联合前两者，在黑暗条件下使酵母、鲤肠上皮(CIE)等细胞的nTiO₂-A耐受性提升1倍以上，光照条件下效果略减但仍显著。

关键技术包括：PacBio RS II平台的全长转录组测序、Illumina HiSeq 4000的circRNA测序、双荧光素酶报告基因验证RNA互作、GC/LC-MS代谢组学分析，以及通过基因合成构建circRNA表达载体转化多物种细胞。

研究结果显示：

1. 生理生化测定确定28 mg/mL为GZ381的MNIC，此时抗氧化酶(CAT/POD/SOD)活性达峰值；
2. 代谢通路基因占响应基因的76.3%，关联的SMM中58%可独立提升MNIC；
3. circRNA08121-miRNA-mRNA网络调控16条代谢通路，影响GSH、亚精胺等抗氧化物质合成；
4. III型方案对90 nm nTiO₂-A的缓解效果最佳，使野生绒泡菌MNIC提升140%。

讨论指出，该研究首次发现circRNA通过代谢重编程增强nTiO₂抗性的普适机制：circRNA08121通过调控氨基酸(如半胱氨酸、脯氨酸)、核苷酸(如腺嘌呤、肌苷)和脂肪酸(如亚油酸、硬脂酸)代谢，协同缓解氧化损伤、维持膜稳定性和DNA修复。相比传统策略，这种基于内源调控的方案不改变nTiO₂物性，且具有多粒径适应性，但需注意物种差异——对哺乳动物Caco-2细胞的效果仅为原生生物的60%。

结论强调，该研究不仅揭示了环境生物抵抗纳米污染的新机制，更开创性地将ceRNA网络理论与污染治理结合，设计的"代谢调控+基因干预"组合策略为复杂环境污染治理提供了新范式。未来需进一步优化circRNA的跨物种递送效率，并评估遗传修饰生物的环境风险，以推动该技术从实验室走向生态应用。论文发表于环境科学领域期刊《Emerging Contaminants》，为应对纳米材料污染提供了重要的理论基础和技术储备。