模拟空间失重对细菌的生物学效应及分子机理研究

一切地球生物都形成和生存于地球重力环境中，失重是地外空间特有的环境因子。在载人航天事业的需求牵引下，失重的生物学效应已成为新的研究热点。研究表明，空间失重环境可诱导微生物生理生化和遗传性状发生变异，造成航天器内部环境的生物性污染，严重危害飞行安全和航天员的健康。而目前对空间失重环境的生物学效应仍缺乏系统、深入研究。本项目拟在前期工作基础上，以两种细菌为模式生物，分别利用超导磁体和回转器模拟空间失重，进行平行比对实验，通过AFM观察细菌形态和表面超微结构变化；生理生化方法检测细菌增殖、药物敏感性、毒力、全细胞脂肪酸成分及相对含量变化；基因芯片技术分析细菌全基因组表达谱变化；蛋白质组学方法分析特异性蛋白表达变化，以揭示模拟失重对微生物的生物学效应及其分子机理。研究结果对阐明失重条件下微生物生存和变异的机制、未来空间受控生态生保系统的建立、空间微生物安全监控及空间失重资源的合理利用都有重要意义。

本研究重点在于阐明失重环境下微生物变异的分子机理。研究工作除按照计划书进行外，还增加了部分研究内容，研究进展顺利，完成了计划书中所有内容，取得了一些重要的研究结果。.在本项目中利用回转器模拟失重对细菌进行处理，通过分析处理前后细菌生长特性、形态结构、特异性基因和蛋白表达的变化阐明失重环境对微生物的生物学效应及其分子机理。研究表明：.1、模拟失重处理后，细菌生长速率加快、迟滞期缩短、对数期提前，说明失重可加快细菌生长增殖；另外，模拟失重可诱导细菌发生抗生素敏感性变异，突变率随处理时间延长而增加；.2、细菌经模拟失重处理后，全细胞脂肪酸种类和相对含量有显著性差异，其中高丰度脂肪酸的变化最为明显。总体趋势是：低丰度脂肪酸的相对含量明显低于野生株，而高丰度脂肪酸成分中，突变株的长链脂肪酸相对含量高于野生株；.3、模拟失重处理后，细菌形态发生显著变化，失去原有形态，表面变得粗糙、凹凸不平，菌体边缘棱角分明，这与细胞骨架变化有相关性；.4、细菌的毒力基因及其调节基因的表达在失重条件下会发生显著改变，这与细菌生长特性和形态结构变化密切相关。有22个基因表达发生变化，13个表达下调，9个表达上调，其中包括压力感应基因、转录调节基因等。.5、大肠杆菌蛋白质表达变化的结果发现，有74种蛋白表达升高，18种蛋白表达下降，62种在失重条件下特异性表达的蛋白质。而在鼠伤寒沙门氏菌中，有35种蛋白表达升高，32种蛋白表达下降，56种在失重条件下特异性表达的蛋白质。.另外，除按计划书开展研究工作外，还根据国内外最新研究进展，增加了部分研究内容。.1、由于在宿主抵御致病菌侵染过程中，宿主的上皮细胞和巨噬细胞发挥了关键的作用，因此，利用模拟失重环境下（SMG）和正常环境（NG）培养的的鼠伤寒沙门氏菌同时侵染NG培养的小鼠巨噬细胞，结果SMG细菌比NG细菌对细胞更具侵袭力； 另外，利用尾悬吊小鼠来检测SMG细菌致病力的变化，发现当细菌和小鼠同时处于模拟失重环境中时，细菌的致病力达到最大程度。.2、利用肠毒素大肠杆菌感染小鼠巨噬细胞和上皮细胞来检测细胞内TNF-α和丝裂原活化激酶4（MKK4）表达水平的变化。结果发现，SMG细菌感染NG巨噬细胞比NG细菌感染能使细胞合成更多的TNF-α；同时发现，用SMG细菌感染NG小鼠比NG细菌感染使小鼠巨噬细胞有更高水平的MKK4表达。在小鼠上皮细胞中得到相似结果。