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噬菌体与宿主细胞相互作用的微量热研究

刘国生  
【摘要】:运用微量热学的理论和技术对三个有代表性的噬茵体—宿主生物活性系统T4E、λE和M13E进行了研究,根据热化学的原理对噬菌体的感染与发育、宿主细胞代谢与生长等生物学过程的热动力学规律进行了解析,从热力学角度探讨了噬菌体与宿主之间的相互作用的关系。在此工作基础上,用微量热学方法研究了一种自由基清除剂—黑色素(Melanin)对T4E和λE系统的影响,以及外源mel基因(黑色素基因)对M13感染及发育过程的影响。 根据T4E系统在完全培养基LBG中的热谱曲线,经过线性拟合得到了T4E系统变化的热动力学方程、细胞生长抑制热动力学方程、宿主细胞裂解热动力学方程。由细胞生长抑制热动力学方程得出的感染状态细胞表观生长速率Ki显著大于正常细胞的生长速率常数κ,预示着感染细胞内的代谢速率比正常细胞更高。同时用微量法证明了裂解抑制(LIN)现象的存在。 根据T4E系统在静息培养基MM中的热谱曲线,可将发热功率和发热量准确计算到单细胞水平;数据表明,无论是培养物水平还是单细胞水平,感染状态细胞的发热功率(P或者SCP)都显著高于正常细胞,从而直接证明T4噬菌体的感染可以促进宿主细胞的代谢活动。在单细胞水平上,非感染细胞的发热功率在2.76到3.29pW之间,感染细胞的发热功率平均在3.99-5.32pW间,比非感染细胞高出1.23到2.03pW,发热功率被提高了44.57—61.70%。此外,高MOI时的自外裂解现象(LF)可以很直观的从静息培养热谱图上反映出来。 滴定微量热测定T4噬菌体与宿主细胞的相互作用,获得了T4噬菌体感染和 侵入早期过程的热力学信息。表明产热过程类似于酶促反应动力学过程,从细胞噬 菌体一接触产热就开始了,产生的热量包括吸附过程的吸附热和细胞接受刺激作用 产生的应激热。细胞由于感染发热功率增加0.49一0.68Pw,净产生热量 1 .608一1 .653xl0石J。 溶源性细菌E. coli(入)和非溶源性细菌E. coli(入)一菌株在微量热学上的差别: 在完全培养基LBM中,非溶源性细菌生长速率常数k和最大发热功率尸max都高于 溶源性菌株;在限制性培养基MMZ中,非溶源性细胞静息培养过程的热输出功率 尸~高于溶源性细胞。在LBM培养基中,当E.。oli(入犷受到人噬菌体感染时有产 热延迟现象发生。在高Mol时,溶源菌E.。011(入)受到人噬菌体作用时也存在有产 热延迟现象。对这两种情况下的产热延迟现象发生的原因进行了分析。静息培养时, 入噬菌体对溶源性细胞和非溶源性细胞的侵染和吸附都表现出发热功率尸提高和发 热量Q增加。 在LB培养基中,M13噬菌体侵染E. coliJM109的热谱图与E. coliJM109没有 太大的区别,反映了M13噬菌体对宿主的依存关系、以及M13噬菌体感染吸附、 侵入、增殖和排出对细胞生长没有显著影响的这一特殊生物学特点。但M13E系统 生长速率常数k值高于丑coli JM109的事实,说明宿主细胞本身虽然因M13感染 而生长和增殖减缓,但细胞内的代谢速率是增加的。携带有mel基因的M13(mel) 感染E coliJMIOg的热谱曲线与正常的M13没有差别。 此外,研究中还发现,E. coliJM109在不断的分纯过程中,总有一些小菌落伴 随其生长,大小两种菌落对M13噬菌体的敏感性存在着明显差异,从滴度测定、噬 斑形态、及感染增殖过程的热谱图都存在明显的不同。但有一点是肯定的,即小菌 落对M13也是敏感的,只是敏感度明显低于大菌落。根据小菌落在基础培养基上不 能生长的事实,推测小菌落可能丢失了F一pro质粒从而使其生长和增殖受到限制。 如果是这样,说明M13的感染途径不只是通过性菌毛,可能存在其它的感染途径, 即次感染途径。进一步的工作尚在进行中。 黑色素PMM对正常细胞(E. eoliB、E. eoli(入)一)、溶源细胞(E. coli(入)) 的生长和代谢都有促进作用。在T4感染和发育过程中,PMM促进了T4噬菌体在 细胞内的发育,缩短了裂解周期。在入感染和发育过程中,黑色素PMM导致k值 增加和对数峰升高,L峰的出现时间被提前且峰值降低,导致总发热量Q减少。溶 源菌和非溶源菌UV照射后的热谱存在显著差异,最大差异在UV照射30一405时 间溶源菌有一明显的裂解生长峰。在UV对溶源菌E. coli(人)诱导过程中,黑色素 表现出光子屏蔽和清除自由基两方面的作用,其清除自由基的功能有利于损伤细胞 的修复。在损伤细胞的修复上,黑色素PMM优于FM。


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