静磁场影响微生物生长的机制研究

作     者：李浩东 

作者单位：上海师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄继荣

授予年度：2022年

学科分类：0710[理学-生物学] 1007[医学-药学(可授医学、理学学位)] 100705[医学-微生物与生化药学] 07[理学] 071005[理学-微生物学] 10[医学] 

主      题：磁场 碳代谢 自由基 乙醇酸氧化酶 长链脂肪酸 氧化应激 大肠杆菌 微生物组 

摘      要：地磁场不仅保护了地球上的生态系统免受太阳风以及各种高能宇宙射线的直接危害,还作为一种物理因素影响着生物的生命活动,因此是生命不可缺少的环境因子。有研究表明磁场对于生物的行为特征、生理反应、代谢水平和基因表达等多个层面具有不同程度的影响,但对于磁场的生物学意义和分子机制仍很不清楚。为此,我们从简单的微生物模型出发,探究了磁场对于微生物生长的影响。我们以大肠杆菌(Escherichia coli,***)为材料探究了中等强度静磁场对微生物生存和生长的影响。我们发现,250 m T的静磁场(SMF)抑制了大肠杆菌单克隆菌斑直径,而不影响菌落形成单位(CFUs)的数量。转录组学分析显示,静磁场处理引起5%(4081个基因中的202个)的基因表达发生改变,其中145个基因表达下调,57个基因表达上调。进一步的富集分析表明,静磁场的这种抑制效应可能是因为影响了碳源利用途径,如乙醇酸代谢、甘油代谢、脂肪酸代谢等过程中部分基因的表达发生变化。与此相一致的是,培养基中额外添加的乙醇酸或乙醛酸能够恢复静磁场中大肠杆菌的表型,并且乙醇酸氧化酶缺失突变体对静磁场不敏感。这些结果表明静磁场处理导致乙醇酸氧化酶活性降低。此外,代谢组学分析显示,在磁场处理的大肠杆菌中,长链脂肪酸(LCFA)积累,而磷脂酰甘油和中链脂肪酸减少,暗示了静磁场抑制长链脂肪酸降解。基于已发表的证据和本研究的结果,我们提出了一个静磁场抑制大肠杆菌生长的模型:长链脂肪酸降解时产生的自由基可能是静磁场作用的主要靶点,静磁场通过影响自由基的产生或寿命,触发细菌氧化应激,最终导致生长抑制。此外,我们还利用高通量16s rRNA基因测序的方法研究静磁场对小鼠肠道微生物组的影响。我们的结果显示,600 m T的静磁场处理小鼠8周显著影响肠道微生物的相对丰度,并且不同菌种对于磁场的响应效果不同。其中,一种埃希氏杆菌属-志贺氏菌属的菌unclassified＿g＿＿Escherichia-Shigella在静磁场处理组中相对丰度显著下降,与同属于埃希氏杆菌属的大肠杆菌在磁场下的表型相同。这些结果表明磁场确实能够影响小鼠肠道微生物的组成,但由于影响肠道微生物的因素比较复杂,进一步阐释磁场对肠道微生物组成的影响还需要更多的实验来验证。