孜然精油抑制金黄色葡萄球菌 (ATCC 6538)生物膜形成的物质基础和作用机制研究

The food safety is threatened when pathogens attached to, growing and biofilm formation on food contact surfaces. Recent research has now shown that essential oil can inhibit the formation of biofilm by regulating the quorum sensing system. But it is very hard to clarify the substance basis and mechanism in this process because of the complex components in essential oil. In this project, the spectrum-effect relationship between cumin essential oil and its inhibition on Staphylococcus aureus (ATCC 6538) biofilm formation will be analyzed by partial least squares regression. And the substance basis of cumin essential oil will be clarified according to this. Furthermore, the top five components of contribution degree will be selected for the mechanism research. The effects of these components on the three-dimensional parameter of Staphylococcus aureus (ATCC 6538) biofilm will be detected by confocal laser scanning microscopy. And the expression regulation of several genes related to biofilm formation in quorum sensing system. Hence, the mechanism of cumin essential inhibit the biofilm formation of Staphylococcus aureus (ATCC 6538) will be discussed by combination the results on the basis of microscopic and molecular level. Implementation of this project will promote cumin essential oil as a new plant source antibacterial agent applied in the food science, and provide a new mode for substance basis research of bioactive essential oil.

在食品工业中，病原微生物粘附在食品表面并形成生物膜将会给食品安全带来巨大隐患。最新研究表明天然植物精油可以通过调控微生物群体效应系统来抑制生物膜的形成。然而精油中复杂的成分组成，阻碍了其物质基础和作用机制的阐明。本课题以天然香料植物孜然为材料，通过谱效关系的研究策略，将孜然精油GC-MS指纹图谱与其抑制金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)生物膜形成活性采用偏最小二乘回归分析建模，给出各特征成分的活性贡献度，明确其物质基础。选择其中贡献度排名前五的成分，通过激光共聚焦显微镜和荧光定量PCR技术，分别检测孜然精油中活性贡献度前五的组成成分对金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)生物膜三维结构参数的影响，和对群体效应系统调节生物膜形成通路中关键基因表达的调控情况，从显微和分子水平共同阐明作用机制。本项目将推动孜然精油作为植物源新型抑菌剂在食品领域的应用，并为活性植物精油物质基础的研究提供新模式。

随着人们生活水平的提高，对食品安全的重视程度也日益增长。食品中的微生物污染为食品安全的重点关注方向。病源微生物能在食品、农产品表面形成生物膜结构并隐藏其中，从而增强对各种抑菌措施和防腐剂的抗性，给食品安全带来了巨大隐患。最新研究表明天然植物精油可以通过干扰微生物群体效应系统来调控生物膜的形成，但相关物质基础和作用机制研究尚处于起步阶段。缺乏能够有效针对精油复杂的成分组成，阐明其物质基础和作用机制的研究体系，已成为急需解决的制约精油相关活性深入研究的关键科学问题。.本项目将采用“谱效相关性”的研究策略来阐明孜然精油抑制金黄色葡萄菌生物膜形成的物质基础，并通过基于偏最小二乘建模对各组成成分对抑制生物膜生产的活性贡献度进行计算，选择其中排名靠前的成分进行基于调控群体效应系统中关键基因表达水平影响生物膜形成作用机制的研究。.本项目主要成果如下：.（1）采用GC-MS的全成分表征手段对孜然精油中的组成成分进行分析，共鉴定38个化合物。并通过采集各产地各品种样本20个，建立了孜然精油的指纹图谱。.（2）采用抑菌圈、最低抑菌浓度、最低杀菌浓度和接触后效应等评价方法对20份不同来源的孜然精油样品进行活性评价，收集孜然精油抑金黄色葡萄球菌活性的基础数据。.（3）以孜然精油的抑菌活性数据为依据，设计评价孜然精油抑制生物膜的实验方法及浓度范围。最终以1/2至1/8 MIC浓度作为实验浓度，采用高通量结晶紫染色法进行大批量样品抑制金黄色葡萄球菌生物膜形成活性评价。进一步通过PLS对活性评价结果与成分组成的相关性建模，经计算分析表明，.（4）在寻找到主要活性成分后，采用扫描电镜、激光共聚焦显微等技术来直观检测孜然精油以及其中主要成分对金葡菌生物膜形成的抑制作用，结果表明枯茗醛能够有效抑制生物膜的形成。并在此基础上，进一步采用RT-PCR等手段来探讨孜然精油调控金葡菌生物膜形成的作用机制，结果表明孜然精油以及枯茗醛等成分能够有效抑制金葡菌QS系统调控通路中Agr等关键蛋白的表达。