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近代物理所研究重离子追加辐照影响梭菌在极端酸性环境下的应答趋势获新进展

  • 近代物理研究所药物中心(筹)科研人员利用兰州重离子加速器国家实验室提供的实验条件,开展追加辐照影响梭菌在极端酸性环境下的应答趋势研究,获得新进展。

    研究重离子追加辐照影响梭菌在极端酸性环境下的应答基本处于实验研究阶段,尚未形成系统、有效的理论来揭示和刻画重离子追加辐照技术用于梭菌代谢生产有机酸的微观机制和宏观效果。阐明碳离子束辐照梭菌可刺激诱导在极端酸性环境下实现触发acidogenesis期到solventogenesis期信号转变应答,是很有意义但尚未深入开展的工作。

    在追加辐照方面:基于追加辐照实验数据,研究人员通过Logistic回归建模结合马尔可夫链蒙特卡罗方法,拟合了给定辐照剂量区对于梭菌瞬时致死概率模型,并成功导出了该模型在贝叶斯框架下的50%、90%、95%和99% 的置信区间(见图 左上)。在筛选突变菌株数据方面:面对突变株产生的大量多维数据集,研究人员利用多元统计主成分分析方法(多维矩阵),进行了简化多维数据集的分析和可视化(见图左中),并应用Hotelling's T2 statistic捕获了高品质的突变菌株。在极端酸化突变菌株方面:研究人员通过改进微生物生长动力学的理论模型结合Logistic回归建模,成功拟合了突变菌株在不同pH值下的生长信息(见图 左下)。在测量pH值方面:生物反应器中使用的pH值探头不能准确捕捉基板溶液中氢离子平衡或羟基离子平衡数据量变化的信息,往往造成检测值与真实值存在0.1-0.2的误差。研究人员依据测量数据并利用工程系统的Kalman filter模型算法不断把covariance递归,从而算出每个k+1时刻以后k时刻的预测值和测量值的偏差,最终确定了生物反应器中真实pH值的变化趋势规律(见图右上)。

    基于上述实验与实验数据建模分析,近代物理所科研人员发现,由于重离子追加辐照打乱了突变梭菌生物体中的ack家族基因,部分PTAAK通路受损,突变体产生的ATP主要从PTBBK途径,导致突变体自身对于极端酸性环境的不太敏感性。除此之外,致使其在极端酸性环境中代谢通路的碳通量增加并朝向phosphotransbutyrylase → butyrate kinase pathway(见图 右下)。有趣的是,突变体在极端酸性环境中产生了氢气。科研人员经过分析发现,这可能是因为突变体需要通过维持氧化还原平衡,因此有更多的NAD+转换为NADH来补偿能量效率的降低。然而,NADP+/NADPH保持恒定,上述结果说明了突变体在极端酸性环境中具有更稳健的生产力。

    这项研究结果不仅系统、有效地揭示和刻画了重离子追加辐照技术用于梭菌代谢生产有机酸的微观机制和宏观效果,同时也为重离子辐照技术应用于微生物冶炼工程提供了全新的方法与策略。

    此项研究得到国家自然科学基金及中国科学院“西部之光”人才项目的资助。

    研究成果发表在Scientific Reports 2016, 6, 29968; doi:10.1038/srep29968 (2016)

    文章链接:www.nature.com/articles/srep29968

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