纳豆芽胞杆菌维生素K2代谢调控生物膜形成机制

As a kind of essential vitamins for human body, vitamin K2 has many important physiological functions such as promote the generation of prothrombin, increase synthesis of osteocalcin, repair the mitochondria of damaged cells. Thus it has a very broad application prospect in food industry. However, the application of vitamin K2 by Bacillus subtilis natto was limited by the low synthesis. Previous studies found that the metabolism of vitamin K2 of Bacillus subtilis natto was beneficial to biofilm formation. In addition, the formed biofilm could promote the synthesis of vitamin K2 significantly. To explore the mechanism of biofilm formation regulated by the metabolism of vitamin K2 of Bacillus subtilis natto, we construct different mutant strains whose genes of enzymes involved in vitamin K2 synthesis were silenced by antisense RNA and site-directed mutagenesis. To study the effect of vitamin K2 metabolism on the biofilm formation, the differences in biofilm formation of mutants were compared combined with analysis of membrane properties and quorum-sensing system. Finally, the regulatory mechanism was disclosed by RNA-Seq transcriptome sequencing, David and KEGG analysis. The aim of this project is to explore the mechanisms of biofilm formation regulated by the metabolism of vitamin K2 of Bacillus subtilis natto, and provide theoretical reference for promoting the synthesis of vitamin K2 in Bacillus subtils natto and analyzing the mechanism of biofilm formation mediated by quorum sensing system.

作为一种能够促进凝血酶原产生、增加骨骼密度以及修复损伤细胞线粒体的人体必需维生素，维生素K2在食品行业具有非常广阔的应用前景。纳豆芽胞杆菌维生素K2的合成量低限制了它的应用。前期研究发现维生素K2的合成代谢有利于纳豆芽胞杆菌生物膜的形成，且形成的生物膜可以显著促进维生素K2的合成。为探究维生素K2代谢调控生物膜形成的作用机理，本项目拟以纳豆芽胞杆菌为研究对象，结合反义RNA抑制、定点突变技术构建维生素K2代谢合成酶基因沉默突变株，对其生物膜形成差异进行比较；结合细胞膜壁特性及群体感应系统分析，揭示维生素K2代谢调控对生物膜形成的影响；以RNA-Seq转录组测序、David和KEGG聚类分析为手段，对其调控机制进行解析。本项目旨在探究纳豆芽胞杆菌维生素K2代谢调控生物膜形成的作用机制，以期为进一步促进纳豆芽胞杆菌维生素K2合成和解析群体感应信号系统介导的生物膜形成机制提供理论参考。

作为一种能够促进凝血酶原产生、增加骨骼密度以及修复损伤细胞线粒体的人体必需维生素，维生素K2在食品行业具有非常广阔的应用前景。纳豆芽胞杆菌维生素K2的合成量低限制了它的应用。前期研究发现维生素K2的合成代谢有利于纳豆芽胞杆菌生物膜的形成，且形成的生物膜可以显著促进维生素K2的合成。为探究维生素K2代谢调控生物膜形成的作用机理，本项目以纳豆芽胞杆菌为研究对象，结合反义RNA抑制、定点突变技术构建维生素K2代谢合成酶基因沉默突变株，对其生物膜形成差异进行比较；结合细胞膜壁特性及群体感应系统分析，揭示维生素K2代谢调控对生物膜形成的影响；以RNA-Seq转录组测序、David和KEGG聚类分析为手段，对其调控机制进行解析。结果表明，维生素K2合成关键酶1,4-二羟基-2-萘甲酸聚异戊二烯转移酶（MenA）的活性位点改造，对于调控维生素K2合成，以及改变生物膜形态和组成成分含量，都有重要影响。转录组数据分析MenA的结构差异，影响了与其有底物竞争性关系的群体感应系统组分异平基转移酶（ComQ）的催化能力。通过改变其结合底物异戊二烯的能力直接影响了胞外ComX信息素的累积以及ComP/ComA双组分调节系统的调控，进而导致应答调节蛋白ComA的磷酸化水平改变，从而激活或抑制转录因子ComK，影响细胞感受态和孢子形成，最终改变纳豆芽胞杆菌生物膜的合成能力；此外，MenA的结构差异，影响了维生素K2合成过程中甘油降解途径和三羧酸循环途径代谢流分布，改变了NADH脱氢酶的活力从而影响胞内电子产生。细胞膜壁特性分析维生素K2作为电子传递载体，其含量的增加可以引起细胞膜超极化刺激氧化呼吸链电子传递系统，抑制鞭毛形成基因hag的转录翻译从而抑制了细胞运动性，增强了生物膜团聚能力。本项目为进一步促进纳豆芽胞杆菌维生素K2合成和解析群体感应信号系统介导的生物膜形成机制提供理论参考。