基于代谢组学方法的枯草芽孢杆菌代谢网络系统分析

各种小分子代谢物和连接它们的代谢反应构成了生物体不可或缺的代谢网络。对代谢网络系统、定量的研究将有助于我们更深入、整体的理解生命系统。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的芽孢及其萌发生长为定量研究生命体如何通过代谢网络运行和调控来支持重要生命过程的能量、物质需要提供了理想的切入点。而基于色质联用技术的代谢组学方法为系统水平的代谢网络定量研究提供了技术支撑，因此本项目申请 (1)建立基于色质联用技术的代谢组分析平台 (2)对B. subtilis芽孢萌发和生长过程进行代谢组学研究。本项目建立的分析平台将能够广泛用于代谢组成分的分析，获得的数据将帮助我们理解代谢网络的运行和调控规律，并可以在将来用于代谢网络计算机模型的构建。而考虑到B. subtilis的芽孢形成和萌发与高等生物细胞分化和发育有相当的相似性以及其近亲炭疽菌的生化威胁性，本项目取得的研究结果将具有广泛意义。

代谢网络支撑着生物体内各种物质和能量转换， 对于任何生物来说都不可或缺。对代谢网络系统、定量的研究将有助于我们更深入、整体的理解生命系统。虽然对“近稳态”情况和环境扰动下代谢网络的变化已经有一些数量的研究，但是代谢网络在重要的生命过程中如何运行和调控仍有待进一步扩展探索。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的芽孢及其萌发生长为定量研究生命体如何通过代谢网络运行和调控来支持重要生命过程的能量、物质需要提供了理想的切入点，而基于色质联用技术的代谢组学方法为系统水平的代谢网络定量研究提供了技术支撑。因此本项目通过考察极性色谱柱、混合模式色谱柱，及使用离子对试剂的IP-RPLC/MS技术，使用代谢物标准物纯品建立了本地谱库和代谢组分析平台，能够支持130多种代谢物的常规分析。本项目还通过考察多种B. subtilis芽孢制备、破碎、萌发和生长的处理方法，建立了有效、易行的实验处理程序，并以B. subtilis为生物模型，测定了其营养细胞及芽孢中的代谢组成分及浓度，并考察了芽孢萌发过程中的代谢组变化。本项目获得的数据显示B. subtilis的芽孢中含有相当数量和浓度的小分子代谢物，虽然远少于营养细胞，但也不同于此前一直认为的几乎没有小分子。且代谢物浓度在新形成的芽孢中还观察到会随时间发生变化。对于芽孢萌发过程中观察到的代谢组分析显示在芽孢开始萌发的早期其通透性就发生了较大的变化，使得外界碳源能够进入其中并进入糖酵解、三羧酸循环等能量代谢核心途径，而芽孢内蛋白的降解是重要的氨基酸来源。本项目获得的数据和据此构建的代谢网络模型有助于我们理解代谢网络的运行和调控规律。而实验当中观察到的芽孢内代谢组的变化，以及芽孢萌发过程中体现的随机现象也为后续研究提供了值得进一步探索的方向。而考虑到B. subtilis的芽孢形成和萌发与高等生物细胞分化和发育有相当的相似性以及其近亲炭疽菌的生化威胁性，本目取得的研究结果将具有广泛意义。