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加州大學張文君組和港科大錢培元組等合作NCB | 齲病形成背后-NRPS/ PKS雜合產物mutanofactin的生合成機制2021-08-24
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摘要

變形鏈球菌是齲病的主要致病菌,其一層一層地吸附在牙齒上形成生物膜。本文作者從牙菌斑中分離出變形鏈球菌,發掘與生物膜形成相關的聚酮/非核糖體肽雜合產物mutanofactin-697生合成基因簇muf,并解析其生物合成邏輯。作用方式分析表明,mutanofactin-697與變形鏈球菌細胞以及細胞外DNA結合增加細菌疏水性,并促進細菌粘附和生物膜形成。本文研究揭示微生物次生代謝物通過物理化學方法促進生物膜形成,展現次級代謝介導齲齒發展相關過程的重要性(本期次條思考題圍繞mutanofactin生合成途徑展開

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?內容

牙菌斑中變形鏈球菌可以形成生物膜、產生有機酸并低pH值環境中生長,是齲病的主要致病菌。本文作者從小分子次生代謝產物角度闡明其在生物膜形成中的作用。

BGC?muf促進生物膜的產生。根據生信分析將先前收集的變形鏈球菌菌株分為8組,以葡萄糖作為碳源時第一組菌株中如Smu56和Smu57具有較強的生物膜形成能力(圖1)。

第一組菌株同時含有BGC1和BGC2,在Smu56和Smu57中進行基因敲除以探究這兩個BGC在生物膜形成中的可能作用。BGC1(muf)的敲除導致形成具有松散的海綿狀結構的異常生物膜(圖2a)。此外Δmuf突變體形成的生物膜可以通過輕搖去除(2b)。Δmuf突變體在牙齒表面形成的生物膜顯著減少(2c),綜上BGC?muf在生物膜形成中發揮重要作用。

BGC?muf通過增加細菌細胞表面疏水性從而促進粘附。水的接觸角(θW)可以反映細菌的疏水性,數值越高疏水性越強。結果表明第一組菌株表面更加疏水,3個Δmuf突變體θW值均降低,說明BGC?muf與細菌細胞表面疏水性相關(3a)。細胞之間的相互作用強于每個細胞與水的相互作用,因此細菌細胞易于聚集被認為是疏水的。隨后作者測定細胞表面張力參數和界面相互作用能,進一步證實細胞表面疏水性的增加促進粘附(3b-c)。

鑒定muf代謝產物并解析生合成途徑。接下來作者鑒定muf編碼的代謝產物mutanofactin?1-5。NRPS/ PKS雜合途徑負責mutanofactin的生物合成(圖4)。

除了生合成關鍵酶NRPS-PKSs外,BGC?muf還編碼MufA?(4'-磷酸泛肽基轉移酶PPT),MufB(II型硫酯酶TE),MufC(轉錄調節因子)和MufH,-I和-J(ABC轉運蛋白)(圖4a)。ΔmufB和ΔmufC均降低5的產生,ΔmufHIJ較少損失5,表明MufH,-I和-J負責向細胞運輸55a)。5以濃度依賴的方式影響生物膜的形成和細菌的聚集(5b-c)。將5添加到Δmuf突變體的回補實驗表明以濃度依賴方式恢復生物膜的形成(圖2a,?c,?5d)。此外5促進了相關缺乏muf?BGC樣品中生物膜的形成(圖5e,f)。

一些小分子次級代謝產物,例如綠膿素,可與eDNA結合并促進eDNA介導的生物膜形成。有鑒于此,作者提出5促進生物膜形成的機制:經過生物合成并從鏈球菌分泌后,5與自身和鄰近的鏈球菌結合,在細菌細胞周圍形成表面層。疏水層增加細菌細胞表面疏水性,促進粘附以及隨后的生物膜形成和生長。此外,5直接與eDNA結合并促進eDNA介導的細胞聚集和生物膜形成(圖6)。

總之,本文作者發現NRPS/ PKS雜合途徑生物合成的mutanofactin通過增加細菌的疏水性促進生物膜的形成。本文突顯微生物次生代謝介導齲齒發展相關過程的重要性,為齲病的產生、預防和治療相關研究提供參考。

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