海洋枯草芽孢杆菌C01抗菌物质合成调控的信号通路研究

Marine microorganisms have a wide range of antimicrobial strains, which are the important potential sources of antimicrobial substances. However, it is difficult to find an effective way to enhance the production of antibacterial substances in the production process due to the lack of understanding of the mechanism how the biosynthesis of antibiotics from marine microbes are regulated, which impedes the application of antibacterial substances to a great extent. It could provide profound theoretical instructional meaning to boost the application of their production in the fermentation process by gaining an insight into the mechanism of regulation of the biosynthesis of antibiotics from marine microbes. Therefore, in our subject, taking the Marine Bacillus subtilis C01 as an example, we will elucidate the possible mechanism regulated marine antimicrobial substances from the perspective of signal-pathway regulation of secondary metabolism. Our project has the following main aspects:1, Optimizing culture medium to study how the signal inducing factors influence the Marine B. subtilis to produce antimicrobial substances; 2, The optimization of inducing conditions of signal factors, and the extraction, isolation, structure identification of the antimicrobial substances, then quantitative analysis of the change of antimicrobial substances; 3, Analyzing the effects of signal factors on the potential genes or proteins which are related to the synthesis of antibacterial materials by the application of transcripitome and proteome; 4, Using the gene knockout technology and the enzyme inhibitors to deduce the function of the key genes or proteins in the pathway, exploring the potential signal regulatory networks of the synthesis of antimicrobial substances from the molecular and physiological level.

海洋中蕴藏着大量的微生物资源，其中广泛地分布着抗菌活性菌株，是抗菌物质的重要潜在来源。但是，由于缺乏对海洋微生物抗菌物质合成调控机理的认识，生产过程中无法有效的提高抗菌物质的产量，严重阻碍了抗菌物质的应用。了解海洋微生物抗菌物质合成调控机制对发酵生产过程中提高抗菌物质产量有着深刻的理论指导意义。因此本课题将以海洋枯草芽孢杆菌C01为例，从信号转导调控次级代谢的角度阐述海洋微生物抗菌物质调控的可能的机理。包括以下内容：一、筛选合适培养基，并研究不同信号诱导因子对海洋枯草芽孢杆菌产抗菌物质的影响；二、优化信号因子的诱导条件，并对产生的抗菌物质进行提取、分离、结构鉴定，量化分析抗菌物质的变化；三、应用转录组和磷酸化蛋白组分析信号因子对抗菌物质合成相关的基因或蛋白的影响；四、利用基因敲除技术和酶抑制剂研究推测途径中关键基因或蛋白的功能。达到从分子和生理水平探索抗菌物质合成调控的潜在的信号调控。

海洋中蕴藏着大量的微生物资源，其中广泛地分布着抗菌活性菌株，是抗菌物质的重要潜在来源。但是，由于缺乏对海洋微生物抗菌物质合成调控机理的认识，生产过程中无法有效的提高抗菌物质的产量，严重阻碍了抗菌物质的应用。了解海洋微生物抗菌物质合成调控机制对发酵生产过程中提高抗菌物质产量有着深刻的理论指导意义。因此本课题将以海洋枯草芽孢杆菌C01为例，从信号转导调控次级代谢的角度阐述海洋微生物抗菌物质调控的可能的机理。包括以下内容：（1）在筛选环境因子刺激C01产抗菌物质时，发现不同浓度纳米氧化铝和不同诱导时间能够影响C01发酵上清液抗菌性，发现纳米氧化铝能够显著提高surfactin的生物合成；（2）在诱导试验过程中，还发现纳米氧化铝可以引起枯草芽孢杆菌的絮凝，通过Zeta电位检测和TEM分析明确了絮凝产生的机制，这一特性可以将纳米氧化铝开发成能用于工业微生物发酵的絮凝剂；（3）在纳米氧化铝诱导枯草芽孢杆菌surfactin生物合成的过程中，我们发现，纳米氧化铝能够促进C01生物膜的形成，同时，可以影响菌体和菌落形态，限制菌体运动性，TEM分析发现纳米氧化铝吸附于菌体上，同时聚集作用也严重破坏菌体原有鞭毛，我们还设计了一系列毒理实验，结果表明纳米氧化铝能够引起膜损伤和胞内ROS积累。结合前人的研究，我们推测纳米氧化铝可以造成膜相关胁迫，通过吸附于菌体和破坏鞭毛来限制菌体的运动性；（4）为了进一步从分子水平上全面分析以上现象发生的相互关系，我们对纳米氧化铝处理的C01进行了转录组测序，测序结果分析发现纳米氧化铝能够引起膜胁迫相关的双组分信号通路基因的表达上调，能够激活鞭毛组装基因的表达，能够诱导脂肪酸的生物合成相关基因的上调。同时还发现纳米氧化铝激活DNA修复相关基因。表面活性素surfactin合成基因在诱导前期表达量并没显著变化，而在后期被显著诱导。我们推测表面活性素surfactin在枯草芽孢杆菌C01适应纳米氧化铝胁迫的过程中起到重要作用。