光催化活性氧胁迫下的细胞应激反应机制研究

Charge carriers could be generated by the light excitation of the titanium dioxide (TiO2). And the cell could be killed due to the oxidative stress of the reactive oxygen species (ROS), produced by the charge carriers with the reaction of water, oxygen and so on. However, as living organism, cells could have the corresponding stress response under this situation. In our previous work, stress reaction was observed in the vacuoles of Saccharomyces cerevisiae induced by the photocatalysis. However, the mechanism of cellular stress response is unclear. Here we use Escherichia coli and S. cerevisiae as model systems. We expect to obtain antioxidant mutants by screen out the E. coli and S. cerevisiae, induced by ROS photocatalysed of modified TiO2 repeatedly. Digital Gene Expression (DGE) and Isobaric Tags for Relative and Absolute Quantitation (iTRAQ) were used to analyze the transcriptome (E. coli and S. cerevisiae) and proteome (S. cerevisiae) of both the mutants and the cell in semi-lethal condition by the photocatalysis treatment, respectively. Through analyzing the difference of gene transcription and expression profiles, the main stress response of cellular treated by the photocatalysis will be indicated, similarities and differences between different cells will also be elucidated. The research will help to understand the disinfection mechanism of the photocatalysis, and in theory set an example for the photocatalytic sterilization, as well as offer guidance for the synthesis of the photocatalytic bactericidal materials.

二氧化钛（TiO2）在光的激发下生成的载流子能够与H2O、O2等反应产生对细胞具有胁迫作用的活性氧（ROS）并导致其死亡。细胞作为生命有机体能够对此胁迫做出相应的应激反应，我们前期的研究发现光催化能够导致酿酒酵母菌液泡发生应激变化，然而细胞在此胁迫下的应激反应机制尚未明确。本项目以大肠杆菌和酿酒酵母菌为研究对象，拟通过筛选改性TiO2光催化反复诱导的大肠杆菌和酿酒酵母菌，以期望获得光催化活性氧诱导的抗氧化突变体。应用数字化基因表达技术（DGE）和同位素相对标记与绝对定量技术（iTRAQ）对筛选到的突变体和光催化处理后半数致死状态下的细胞进行转录组（大肠杆菌和酿酒酵母菌）和蛋白组（酿酒酵母菌）差异分析，揭示光催化活性氧胁迫下细胞发生的主要应激反应以及不同细胞主要应激反应的异同。本研究预期将有助于明确半导体光催化导致细胞死亡的机制，为光催化杀菌提供理论基础，也为光催化杀菌材料合成提供指导。

细胞可以被半导体光催化产生的外部活性氧（ROS）灭活。然而，对光催化作用下细胞自身的反应知之甚少。为了更好地理解这个问题我们开展了相关研究。首先，基于细胞应激反应对纳米光催化材料的要求，我们尝试合成了一些具有光催化抗菌性能的纳米材料，期望合成的材料对细胞安全并且可以用于大肠杆菌和酵母菌应激胁迫反应。此外，我们在尝试薄膜胁迫实验中，首次发现了一个有趣的光催化驱动现象。同时，我们将真核和原核野生型细胞反复暴露于氧化钯改性的氮掺杂二氧化钛（TiON/PdO）光催化作用下，从野生型大肠杆菌（WTE）中筛选出一株突变型大肠杆菌（MTE）以及从野生型酿酒酵母菌（WTS）中筛选出一株突变型酿酒酵母菌（MTS）。将MTE和MTS通过基因组重测序进行确认。本项目中，将光催化处理和未处理的WTE，MTE，WTS和MTS菌株进行了转录组测序（RNA-seq）。从转录物增加或减少的基因的功能推断出了细胞对光催化的反应。在半致死光催化处理条件下的WTE细胞中检测到了细菌趋化性和鞭毛组装相关基因的上调表达。与WTE细胞相比，在MTE中观察到了增强了的超氧化物自由基降解能力和降低了的细菌鞭毛组装和趋化性能力。我们推测，MTE和WTE之间的趋化性和细胞内ROS降解能力的差异导致MTE和WTE两种细胞在光催化活性氧作用下存活率不同。我们初步的研究结果显示，大肠杆菌细胞可能通过增强超氧阴离子自由基降解产生抗氧化能力，光催化胁迫下真核细胞和原核细胞的反应存在一定差异。