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《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》 2016年
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铜抗菌作用的生物物理学研究

胡晓娟  
【摘要】:铜具有优异的抗菌特性,并且不易导致病菌耐药性,在医疗卫生、食品行业和农业等多个领域具有巨大的应用潜力。虽然对铜的抗菌机制已经进行了很多研究,但由于其抗菌机制非常复杂,具体机理还远不清楚。本论文以大肠杆菌为模式系统,利用同步辐射红外光谱、纳米力学成像与测量、磷脂双分子层等多种生物物理学手段和方法研究铜离子对细菌的作用机理。峰值力定量纳米力学模式原子力显微镜(PeakForce quantitative nano-mechanics,PF-QNM)结果显示铜离子对大肠杆菌的表面形貌及力学性质都有显著地影响。在与CuCl2作用后,随着时间延长,大肠杆菌表面形貌由平滑逐渐变得粗糙,表面出现越来越多的突起;力学性质也发生明显变化,表现在其Modulus和Stiffness值越来越低,说明随着作用时间延长细菌表面越来越软,而Adhesion却呈现先升高后降低的趋势。这些力学性质的变化可能是由于细菌表面的磷脂、多糖和肽聚糖成分发生了变化。接下来我们用同步辐射傅里叶红外光谱(FTIR)来检测铜离子引起的大肠杆菌的生化成分的变化,结果显示:磷脂、蛋白质、核酸和多糖在铜离子作用下都发生了变化,并且在铜离子作用的早期,磷脂成分是最先发生显著变化的组分。为深入研究铜离子与大肠杆菌细胞膜的相互作用,我们利用磷脂双分子层技术,将大肠杆菌的脂抽提物铺展在云母表面成膜,然后用原子力显微镜(AFM)进行高分辨成像观察。结果显示:低浓度(小于4mM)的铜离子并不能引起膜发生相分离,但当浓度高于4mM时,会产生明显的相分离现象;其它二价金属离子(如Ca2+和Zn2+)不能引发类似的相分离现象;另外,PO43-可以使铜离子诱导产生的domain减小甚至消失,同时,PO43-也可以缓解铜离子的杀菌作用,提示铜离子可能与磷脂头部的磷酸根部位存在相互作用,也说明domain的形成可能与细菌的死亡有关。综上所述,铜离子的杀菌作用是多因素共同作用的结果,细菌膜也是铜离子发挥杀菌作用的目标之一,铜离子可以使细菌的细胞膜发生相分离,从而进一步影响细菌的生存状态。
【关键词】:铜离子 抗菌作用 大肠杆菌 傅里叶红外光谱 峰值力定量纳米力学模式原子力显微镜
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O614.121;Q93
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-10
  • 第一章 引言10-22
  • 1.1 研究铜抗菌作用的意义10-13
  • 1.1.1 铜抗菌的潜在应用10-12
  • 1.1.2 铜抗菌作用机制的研究进展12-13
  • 1.1.3 细菌细胞膜在铜表面杀菌中的作用13
  • 1.2 同步辐射傅里叶变换红外光谱(FTIR)13-16
  • 1.2.1 FTIR数据处理方法14-15
  • 1.2.2 FTIR在生物领域的应用15-16
  • 1.3 原子力显微镜成像与力学测量技术16-19
  • 1.3.1 原子力显微镜(AFM)16-18
  • 1.3.2 PF-QNM模式在生物领域的应用18-19
  • 1.5 本课题提出19-22
  • 第二章 铜离子对大肠杆菌力学性质的影响22-28
  • 2.1 实验试剂和仪器22
  • 2.2 实验方法22-24
  • 2.2.1 细菌生长曲线实验22-23
  • 2.2.2 PF-QNM模式对与铜离子作用不同时间的大肠杆菌成像23-24
  • 2.3 实验结果与讨论24-27
  • 2.3.1 铜离子作用下的细菌生长曲线24
  • 2.3.2 大肠杆菌力学性质分析24-27
  • 2.4 小结27-28
  • 第三章 铜离子对细菌生化成分的影响28-34
  • 3.1 实验试剂和仪器28
  • 3.2 实验方法28-29
  • 3.2.1 细菌生长曲线实验28-29
  • 3.2.2 利用红外光谱分析大肠杆菌细胞组分变化29
  • 3.3 实验结果与讨论29-33
  • 3.4 小结33-34
  • 第四章 铜离子与大肠杆菌细胞膜的相互作用34-44
  • 4.1 实验试剂和仪器34-35
  • 4.2 实验方法35-37
  • 4.2.1 脂质体的制备35
  • 4.2.2 磷脂双分子层的AFM成像35
  • 4.2.3 铜离子对大肠杆菌抽提脂双分子层的影响35-36
  • 4.2.4 NaH_2PO_4对铜离子诱导形成的domain的影响36
  • 4.2.5 细菌生长曲线实验36
  • 4.2.6 NaH_2PO_4对铜离子影响下细菌生长曲线的影响36-37
  • 4.3 实验结果与讨论37-42
  • 4.3.1 铜离子对大肠杆菌抽提脂双分子层膜的影响37-40
  • 4.3.2 NaH_2PO_4对铜离子诱导形成的domain的影响40-41
  • 4.3.3 NaH_2PO_4对铜离子杀菌作用的影响41-42
  • 4.4 小结42-44
  • 第五章 总结与展望44-46
  • 参考文献46-54
  • 硕士期间发表的文章54-56
  • 致谢56-57

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