大腸桿菌趨化信號網(wǎng)絡及適應行為的研究.pdf

1、生物是自然界的重要組成部分。雖然，不同的生物擁有不同的結(jié)構(gòu)性狀和功能，但其組成生命的基本單元卻是相同的。因此，從某種意義上來說，它們或許有著相似甚至相同的基本規(guī)律。遵循著科學研究的基本發(fā)展模式，我們選取了結(jié)構(gòu)較為簡單的單細胞原核細菌——大腸桿菌作為研究對象。大腸桿菌結(jié)構(gòu)簡單，易于獲取，培養(yǎng)方便，繁殖迅速等特點是其備受科研工作者喜愛的原因。不同于物體在宏觀尺度的行為，只有微米量級尺寸的大腸桿菌就像一個精細的小機器，它在微米的尺度完成生物的

2、一些基本功能，如趨化適應等。
　　本論文先后使用乳膠小球標記和熒光共振能量轉(zhuǎn)移等技術(shù)手段，分別觀察和記錄了大腸桿菌鞭毛馬達和內(nèi)部趨化信號蛋白輸出的適應信號。使用信號處理的基本方法，運用簡單的數(shù)學物理模型，解釋各種條件導致的適應信號差異。并結(jié)合實驗與模擬，闡述了信號差異對大腸桿菌趨化行為的影響。下面，我們簡單介紹下各章所述的主要內(nèi)容。
　　論文的緒論部分主要介紹了大腸桿菌的基本情況及其相關的研究進展。我們從大腸桿菌的形態(tài)與結(jié)構(gòu)

3、說起，依次介紹了其遺傳增殖和致病性情況。重點介紹了大腸桿菌研究的兩大重點內(nèi)容——運動性和趨化性。對于運動性的說明，我們首先介紹了各個運動部件的結(jié)構(gòu)與組成，包括嵌入細胞三層壁的鞭毛馬達，作為傳動部件的鞭毛鉤以及運動的終端輸出鞭毛絲。其中，最為主要的是運動的源頭——鞭毛馬達。其次，我們簡要地說明了單個大腸桿菌在液體環(huán)境下的游動行為以及大量菌體在凝膠表面的群集運動行為，并簡單介紹了大腸桿菌群集運動的結(jié)果——生物膜的形成。而對于大腸桿菌的趨化性

4、介紹，我們首先從大腸桿菌的受體開始介紹，完整地描述了趨化信號網(wǎng)絡通路。緊接著概述了大腸桿菌趨化網(wǎng)絡和鞭毛馬達的MWC和伊辛這兩種主流模型。緒論部分的最后，我們概括地闡述了本論文研究的意義及主要內(nèi)容。
　　論文的第二章主要是實驗方法簡單介紹。該章的起始，我們首先簡要地介紹了各種試劑的配置方法及用途。緊接著我們將改造菌種時所用的DNA重組方法進行簡短的原理與步驟說明。其中，主要包括熱擊法轉(zhuǎn)化，電穿孔轉(zhuǎn)化，聚合酶鏈式反應以及λ噬菌體Re

5、d重組系統(tǒng)基因刪除。
　　論文的第三章主要是探究生長條件對大腸桿菌趨化行為的影響。我們分別測量了營養(yǎng)貧乏與豐富的兩種培養(yǎng)液（H1和TB）下生長的大腸桿菌的生長曲線，選擇合適的采樣區(qū)間。比較了兩種細菌的CW bias分布，無刺激環(huán)境下的馬達關聯(lián)時間，50μM MeAsp的響應恢復時間以及毛細管實驗的聚集情況。實驗發(fā)現(xiàn)，兩種細菌的CW bias分布基本相同，關聯(lián)時間和恢復時間均表現(xiàn)出較大的差別。生長于H1溶液中的細菌表現(xiàn)出更短的關聯(lián)時

6、間與恢復時間，分別是TB細菌1.65和1.36倍。最后，我們分別通過毛細管實驗和數(shù)值模擬證明了在H1中生長的大腸桿菌對于刺激濃度具有更強的局域行為，能更快的響應濃度變化，完成趨化。
　　論文的第四章主要是探究受體協(xié)同作用對其趨化行為的影響。我們使用小球標記和FRET技術(shù)，先后測量了單種受體菌株和野生型菌株的臺階響應信號，劑量響應曲線。并且，改變Tar和Tsr受體比例觀察其臺階響應的差別。最后，利用簡單的swim plate實驗比較

7、了兩種細菌的趨化能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在MeAsp濃度為5μM至250μM時，單種受體菌株表現(xiàn)出明顯的不完全適應行為，而野生型菌株則幾乎可以完成精確適應。在比較適應穩(wěn)態(tài)活性和適應時間時，我們發(fā)現(xiàn)單種受體的適應活性與適應時間隨刺激濃度的變化明顯，而野生型菌株的變化相對小得多。我們在比較兩種細菌的劑量響應曲線后，得到單種受體菌株的MWC簇中總受體數(shù)約為11.7，而野生型則為19.5。我們通過模擬得到單種受體細菌的甲基化速率約為野生型的0.56倍，

8、這應該與受體簇的差別有關。除此之外，我們還研究了受體比例對過沖行為的影響。最后，通過swim plate實驗證實了單種受體細菌趨化能力更差。
　　論文的第五章主要是對鞭毛馬達適應性重組進行建模。細菌趨化是研究信號轉(zhuǎn)導的典型系統(tǒng)。其最具代表性的特點就是適應行為的魯棒性。但是，這樣一個系統(tǒng)的適應過程究竟有多快仍具有爭議性。從細胞內(nèi)酶活性測量結(jié)果來看，適應時間大約有幾十秒;而從鞭毛馬達的水平進行測量的結(jié)果卻不足十秒。最近的研究表明，鞭毛

9、馬達展現(xiàn)出適應性的重組，其主要生理作用是在受體的輸出與馬達的輸入之間提供一種強力的匹配。普遍認為其適應非常緩慢，以致于無法為整個趨化系統(tǒng)的適應提供較為明顯的貢獻。本文通過對馬達適應性重組的理論建模和實驗測量，說明由馬達適應導致的部分適應能夠顯著地加快系統(tǒng)的適應，從而解決了之前關于適應時間的爭議。
　　論文的第六章主要是對三項核心工作的總結(jié)與展望。第一項工作主要是結(jié)合小球標記馬達等實驗與計算機模擬得出生長于H1中的大腸桿菌具有更強的