Deglycosylation Inactivation Initiated by a Novel Periplasmic Dehydrogenase Complex Provides a Novel Strategy for Eliminating the Recalcitrant Antibiotic Kanamycin

周质间隙 卡那霉素 生物化学 化学 大肠杆菌 抗生素 脱氢酶 微生物学 生物 基因
作者
Zhihong Chen,Xin Liu,Liwen Chen,Yong Chol Han,Yuemao Shen,Bilian Chen,Mingzi Wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (10): 4298-4307 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c09565
摘要

Biodegradation using enzyme-based systems is a promising approach to minimize antibiotic loads in the environment. Aminoglycosides are refractory antibiotics that are generally considered non-biodegradable. Here, we provide evidence that kanamycin, a common aminoglycoside antibiotic, can be degraded by an environmental bacterium through deglycosylation of its 4'-amino sugar. The unprecedented deglycosylation inactivation of kanamycin is initiated by a novel periplasmic dehydrogenase complex, which we designated AquKGD, composed of a flavin adenine dinucleotide-dependent dehydrogenase (AquKGDα) and a small subunit (AquKGDγ) containing a twin-arginine signal sequence. We demonstrate that the formation of the AquKGDα-AquKGDγ complex is required for both the degradation activity of AquKGD and its translocation into the periplasm. Native AquKGD was successfully expressed in the periplasmic space of Escherichia coli, and physicochemical analysis indicated that AquKGD is a stable enzyme. AquKGD showed excellent degradation performance, and complete elimination of kanamycin from actual kanamycin manufacturing waste was achieved with immobilized AquKGD. Ecotoxicity and cytotoxicity tests suggest that AquKGD-mediated degradation produces less harmful degradation products. Thus, we propose a novel enzymatic antibiotic inactivation strategy for effective and safe treatment of recalcitrant kanamycin residues.
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