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黄继荣课题组发现静磁场抑制大肠杆菌生长的生理与代谢基础
发布人:网站管理员  发布时间:2022-03-04   浏览次数:11

院黄继荣课题组于2022年2月27日在Cells期刊上在线发表了题为“Static Magnetic Field Inhibits Growth of Escherichia coli Colonies via Restriction of Carbon Source Utilization”的研究论文(https://doi.org/10.3390/cells11050827)。该研究利用转录组学、代谢组学和遗传学等方法揭示了中等强度静磁场抑制大肠杆菌生长的生理与代谢基础。

 地球磁场不仅保护了地球生态系统免受太阳风等各种高能宇宙射线的直接危害,而且作为不可缺失的环境因子影响着生物的行为与生存。基于磁生物学效应的多样性以及作用机制不清的研究现状,该研究以单细胞的大肠杆菌为材料探索了中等强度静磁场对微生物生存和生长的影响。研究发现250 mT的静磁场抑制了大肠杆菌单克隆菌斑直径的大小,而不影响菌落形成的数量,说明静磁场具有抑制大肠杆菌生长的作用。转录组分析结果显示静磁场处理显著地改变了5%左右的基因表达,包括下调145个和上调57个,差异表达程度最大的基因主要富集在碳源代谢途径。与此分析结果一致,在培养基中额外添加乙醇酸或乙醛酸就能够恢复静磁场抑制大肠杆菌生长的表型,以及乙醇酸氧化酶基因缺失导致大肠杆菌的磁效应消失。这些结果表明静磁场处理的细菌中乙醇酸代谢流降低。同时,代谢组学分析结果表明长链脂肪酸(LCFA)在磁处理的大肠杆菌中积累,而磷脂酰甘油和中链脂肪酸则减少,暗示静磁场抑制长链脂肪酸的降解,这与转录组分析中发现的、脂肪酸降解途径中关键基因fadD表达下调的结果相一致。

 基于已发表的证据和该研究的结果,提出了一个静磁场抑制大肠杆菌生长的模型。在正常地磁场条件下,大肠杆菌细胞通过利用各种碳源保持生长和抗逆性之间的稳态。而在中等强度静磁场(相当于逆境)条件下,长链脂肪酸和乙醛酸的代谢途径受到一定程度的抑制,而与应激相关的代谢途径增强,如芳香族氨基酸的合成、产生群体感应的AI-2和抗氧化剂的合成等。相对于糖类的利用来说,以长链脂肪酸作为主要碳源时,位于膜上的电子传递链(ETC)会产生较高水平的自由基(ROS)。由于静磁场具有延长自由基寿命的作用,使自由基在膜上积累,从而激活细胞内的氧化应激通路,启动一系列的防御相关的基因表达,例如通过反馈抑制机制下调fadD基因表达,减少长链脂肪酸的利用,以及通过抑制乙醛酸旁路和甘油途径,使进入糖异生的碳源减少,保证更多的营养流入应激相关的代谢途径。因此,该研究推测静磁场作用的主要靶点是ETC产生的自由基,通过影响自由基的产生或寿命触发细菌的氧化应激途径,最终导致生长抑制。


 静磁场抑制大肠杆菌生长的机制模型

该研究为大肠杆菌响应中等强度静磁场的机制提供了新的见解。同时,由于磁场的抑制效应表现在对微生物碳源利用的扰动,该研究结果在食品加工、医疗卫生等方面有一定的应用价值。硕士研究生李浩东为论文第一作者,黄继荣教授为论文通讯作者,和也健康科技有限公司方志财董事长等参与了合作研究。项目资助来自和也健康科技有限公司与上海市科学技术委员会(18DZ 2260500)。