基于磁性MOFs的食源性致病菌鉴别分型新技术新方法研究

Foodborne pathogens not only pose a significant threat to human health, but also have major implications on social behaviour and economy. Consequently, accurate, rapid and cost-effective identification and biotyping of bacterial pathogens is of critical importance in disease treatment and epidemiological investigations. Here, hierarchically mesostructured magnetic framework composites are synthesized in situ crystallization approach for solid-phase extraction of bacterial proteins from cell extracts. The ability and mechanism of the magnetic framework composites to adsorb bacterial protein is investigated using 5 different pathotype E. coli as model microorganisms. This proposal is aim at development of a magnetic framework composites-based new strategy for rapid foodborne pathogens biotyping by MALDI-TOF-MS. It is expected that fulfilling the proposal will not only open door for extensive applications of magnetic framework composites in identification and biotyping of bacterial pathogens, but also lay a solid foundation for application of new materials and new methods in food safety, clinical microbiology and environmental microbiology.

食源性致病菌污染不仅严重威胁到人们的生命健康，更关系到国计民生。快速、准确、经济的生物分型鉴定对食源性致病菌的临床诊断、控制预防和溯源追踪至关重要。本项目以5种不同致病型的大肠杆菌为模板菌株，采用水热法原位合成的多级孔道磁性MOFs复合材料作为吸附分离介质，通过研究磁性MOFs对细菌裂解物中菌体蛋白的吸附性能及吸附机理，开发磁性MOFs在MALDI-TOF-MS样品预处理上的应用，建立基于磁性MOFs的致病菌蛋白指纹鉴别分型的新技术新方法。本项目的研究与开展可望为致病菌的高效准确分型鉴别提供一个技术平台，为新材料、新方法在食品安全以及临床与环境微生物学领域的应用奠定坚实的基础。

生物标志物蛋白质的选择性富集和检测一直是生物分析化学的研究热点，对于食源性致病菌快速、准确的生物分型鉴定以及一些疾病的临床诊断、控制预防都是至关重要的。磁性金属-有机骨架材料兼具有磁性纳米粒子及金属有机骨架材料的双重优异性能，可望在生物标志物蛋白质的选择性富集与检测中发挥重要作用。本项目的研究工作主要围绕磁性金属-有机骨架复合材料的合成、功能化和应用，以及生物标志物蛋白质富集及检测展开，已发表研究论文7篇（2篇Analytica Chimica Acta， 1篇Anal Bioanal Chem，3篇 RSC Advances，1篇Analytical Method），联合培养博士研究生1名，硕士毕业研究生3名。获授权中国发明专利2项。.该项目在无氢氟酸的条件下，通过水热法原位合成Fe3O4-COOH@MIL-101和Fe3O4/C@MIL-100。以Fe3O4-COOH@MIL-101作为磁性固相萃取材料用于增强MALDI-TOF-MS菌株水平的鉴别能力。在考察了Fe3O4-COOH@MIL-101对BSA酶解多肽的高效富集能力和尺寸排阻效应后，对大肠杆菌O78:H11与O127:H6菌株进行了对比研究，其生物标志物分别达到11和12个。对比传统MALDI-TOF-MS方法，菌株水平的生物标志物数量明显增加，能够在菌株水平对大肠杆菌进行了鉴别。采用II型糖尿病人的血清蛋白为样本，在微波辅助甲酸特异性裂解血清蛋白后，以Fe3O4/C@MIL-100作为萃取介质来选择富集甲酸水解多肽。所得的多肽通过MALDI-TOF-MS检测，共有46个血清蛋白被发现，其在血清中对应的蛋白浓度范围在0.5-104 mg L-1，该方法对血清蛋白的检测限可达到与排除高丰度蛋白方法相同的效果，同时节省了时间与成本，整个检测过程不超过60 min，最后利用ClinProTools软件提取17个II型糖尿病的蛋白生物标志物。基于磁性金属-有机骨架材料的预处理方法，结合MALDI-TOF-MS的快速与灵敏的特性，简化蛋白检测流程，提高质谱分析效能，为蛋白组学在细菌菌株水平鉴别与血清蛋白标志物的筛选提供了一个可以借鉴的方法与思路。