在线生物膜研究系统

仪器信息网讯 生物膜（Biofilms）是由微生物形成的一种被膜组织，其是微生物为抵抗外界胁迫条件而维持生存的特殊膜组织。生物膜的形成直接造成临床上90%以上抗生素耐药的发生，也关联肿瘤、糖尿病和神经系统疾病等耐药的发生（病灶处由于细菌感染形成生物膜）。此外，生物膜的形成对多个行业都产生巨大的危害，如金属精密仪器腐蚀，水环境污染，食品污染等。总之，微生物生物膜的形成，具有巨大的危害。尽管科学界进行半个世纪的研究探索，鉴于其形成的分子机理非常复杂，目前仍尚未系统解析，因而缺乏有效的策略清除不同领域生物膜的形成，抑制其毒副作用和危害的产生。上海交通大学吕海涛课题组整合运用精准靶向代谢组学和遗传学整合策略(Precision-Targeted Metabolomics combined with genetic method)、结合电镜表型分析（Imaging visulization），从小分子代谢角度，在大肠杆菌生物膜体系当中精准发现和验证若干具有调控生物膜形成的功能代谢产物；并初步阐明铁载体生物合成介导的铁离子调控功能代谢物表达，进而影响生物膜形成的代谢机理。深层次机理研究，和基于功能代谢产物生物合成调控解离微生物生物膜形成的转化应用研究，正在进行中。基于上述创新发现，该课题组起草的研究论文“Mass spectrometry based targeted metabolomics precisely characterized new functional metabolites that regulate biofilm formation in Escherichia coli”已经被爱思唯尔出版集团旗下著名分析化学杂志Analytica Chimica Acta正式接收，出版中。上海交大2017级硕士生郭睿同学（已毕业）为论文第一作者，2017级博士生罗夏琳同学和2020级博士生刘京净同学（硕转博）参与部分研究工作和论文发表，上海交大吕海涛研究员为论文通讯作者。点击下方链接：了解论文原文

p style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　strong仪器信息网讯/strong 本期推荐的是发表在《Journal of Analysis and Testing》2020年第3期的strong上海交通大学系统生物医学研究院吕海涛研究员课题组/strong原创论文strong“基于靶向代谢组学方法表征金属离子锰调控生物膜特征代谢”/strong。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/6a08beaa-f9b4-45f6-9d6c-a71acc5cbd57.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg"//pp style="text-align: center line-height: 1.75em "　　基于靶向代谢组学方法表征金属离子锰调控生物膜特征代谢/pp style="text-align: center line-height: 1.75em "　　郭睿，吕海涛*/pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　近日，国内第一本国际性的英文分析化学期刊Journal of Analysis and Testing (JOAT) 特邀请中国科学院大连化学物理研究所许国旺研究员作为客座编辑，主持“Metabolomics: state of art in methoddevelopment and applications”专题。上海交大系统生物医学研究院吕海涛课题组受邀发表基于靶向代谢组学方法表征金属离子锰调控生物膜特征代谢的最新研究成果。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/80edb75a-ab8d-4946-845d-843615694741.jpg" title="2.jpg" alt="2.jpg"//pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　生物膜是由多种微生物在外界压力环境下产生，表面被胞外聚合物(EPS)包裹的微生物群落，EPS的存在使细胞对杀虫剂，抗生素以及其他入侵力的抵抗力都明显高于其悬浮细胞。生物膜的形成对各个领域都产生了影响，包括临床感染，环境污染，农业生产，食品工程和工业污染等。然而，生物膜的形成机制尚未完全阐明，并且目前我们还缺乏解决这些问题以及破坏生物膜形成的有效手段。在本研究中，我们试图探寻金属锰离子通过调节生物膜形成过程的关键功能代谢产物进而认知其调控生物形成的代谢模式与特征表型，以为后续生物膜形成机制研究奠定靶向调控物质基础。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/388cbcf4-2dfb-43a5-9b92-a42f7ac258e2.jpg" title="3.jpg" alt="3.jpg"//pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　本研究初步发现，金属锰离子能够调控大肠杆菌生物模的形成，与作用剂量具有一定的依存关系，且对其微观内质结构具有明显的修饰作用，进而影响稳态生物膜的形成与解离。/pp style="text-align: center"img style="" src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/d74c56a0-1141-4ad9-9e1d-dbbc853c3ce4.jpg" title="4.jpg"//pp style="text-align: center"img style="" src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/43fa82ea-6ee5-4c86-8297-1e88465fb16b.jpg" title="5.jpg"//pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　进一步，经过精准靶向代谢组学分析，我们初步确证锰离子具有调控生物膜形成过程中特征分子代谢的潜力，而这些代谢直接关联生物膜的形成。由此，我们认为，锰离子或许能够成为抑制和调控生物膜形成的一种生物基质选择，而其靶向调控的功能代谢物，也具备调控生物膜形成的分子特征。未来可考虑从锰离子靶向调控功能代谢物角度，设计全新策略，清除生物膜的形成，彻底解决上述不同生命科学领域与生物膜相关的有害挑战。/pp style="text-align: center"img style="" src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/f1b30c68-5ce7-44a0-9bf3-b24f437699f4.jpg" title="6.jpg"//pp style="text-align: center"img style="" src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/89426807-d3b6-47a6-988c-5dd2a5467724.jpg" title="8.jpg"//pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　课题组正在基于上述代谢表型结果，聚焦具体有价值功能代谢物，结合生物合成调控修饰策略，开展相关机理研究，核心目标是从金属调控代谢维度阐明生物膜形成与解离的分子机理，为生物膜相关挑战性科学与转化应用问题的解决提供共性策略和方法参考。/pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　课题研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海交通大学高层次人才启动基金等支持。/pp style="text-align: right line-height: 1.75em "　　(感谢吕海涛研究员团队提供论文主要内容翻译)/pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　下载本文： Guo, R., Lu, H. Targeted Metabolomics Revealed the Regulatory Role of Manganese on Small-Molecule Metabolism of Biofilm Formation in Escherichia coli. J. Anal. Test. (2020). a href="https://doi.org/10.1007/s41664-020-00139-8" _src="https://doi.org/10.1007/s41664-020-00139-8"https://doi.org/10.1007/s41664-020-00139-8/a /pp style="line-height: 16px text-indent: 2em "img style="vertical-align: middle margin-right: 2px " src="/admincms/ueditor1/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_pdf.gif"/a style="font-size:12px color:#0066cc " href="https://img1.17img.cn/17img/files/202007/attachment/73e7f637-5326-4057-aefe-d245e15b3247.pdf" title="10.1007@s41664-020-00139-8.pdf"10.1007@s41664-020-00139-8.pdf/a/pp style="text-align: center line-height: 1.75em "　　上海交通大学吕海涛研究员简介/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/ac915f0a-4375-4c52-9eaa-b84c216234d0.jpg" title="微信图片_20200727115812.jpg" alt="微信图片_20200727115812.jpg"//pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　吕海涛博士，，上海交通大学研究员(教授)/课题组长/博士生导师，国家重点研究发计划课题负责人，权威的QUT Vice Chancellor’ s Research Fellowship校长特聘教授席国际人才基金获得者，交通大学绿色通道引进高层次人才和功能代谢组学科学实验室主任。/pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　2009年于黑龙江中医药大学获得生药学博士学位，师从王喜军教授。2009-2013年先后在美国爱因斯坦医学院，华盛顿大学医学院和麻省理工学院完成博士后训练，研究方向为代谢组学、化学生物学和RNA Modifications, 合作导师为Irwin J. Kurland 教授， Jeffrey P. Henderson 教授和Peter C. Dedon 教授。2012年9月-2015年12月，任重庆大学创新药物研究中心(药学院)“百人计划”研究员，博士生导师，主任(院长)助理，功能组学与创新中药研究实验室负责人。2015年12月，加盟上海交通大学系统生物医学研究院，任课题组长，研究员，博士生导师，领衔功能代谢组科学实验室建设与发展。/pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　先后在Mass SpectrometryReviews, Journal of Proteome Research, Molecular Cellar Proteomics，Pharmacological Research, 和Liver International 等权威杂志发表SCI检索论文46篇，被Nature Chemical Biology, Chemical Reviews和Mass Spectrometry Reviews 等著名杂志引用1000余次，并发表会议论文30余篇，国内外学术会议和科研机构特邀学术报告40余次，担任分会主席主持会议5次。目前担任自2013年7月起，兼任澳大利亚昆士兰科技大学校长特聘教授/博士生导师。中国生物物理学会代谢组学分会副秘书长，世中联网络药理学专委会常务理事，中国药理学会网络药理学专委会理事，中国药理学学会分析药理学专委会创会理事，美国科学促进会(AAAS)荣誉会员和国际代谢组学学会会员。同时担任著名SCI检索杂志Phytomedicine (JCR 1区,IF 4.2)副主编，Frontiers inMicrobiology(IF 4.1)副主编，以及Pharmacological Research (IF 5.57)顾问主编，Scientific Reports (IF 4.1)和Proteomics-Clinical Applications (IF 3.5)编委，以及SCI检索杂志Acta PharmaceuticaSinica B (IF 5.7)和Chinese Journal of Natural Medicines (IF 1.9)青年编委。并受邀为Mass SpectrometryReviews, NPJ Systems Biology and Applications, Journal of Proteome Research,Biomacromolecules 等20余本SCI检索杂志审稿，国家自然科学基金委和澳大利亚NHMRC基金评审专家。/pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　近五年，吕海涛博士先后主持国家重点研发计划课题1项，国家自然科学基金面上项目2项，中央高校基本科研业务费重大项2项，重庆自然科学基金面上项目1项，QUT Vice Chancellor’s Research Fellowships 1项(校长特聘教授席国际人才基金项目), 上海交通大学特别研究员计划项目1项(绿色通道引进高层次人才项目),重庆大学百人计划项目1项(引进海外高层次人才项目)。获教育部科技成果一等奖1项，获批合作发明专利1项。/pp style="text-align: justify line-height: 1.75em "　　联系 Email: haitao.lu@sjtu.edu.cn/ppbr//p

简介一家大型装瓶厂在提高产量之后，其废水处理系统受到高浓度有机物和固体颗粒的干扰。进水的流量、含糖量、固体颗粒浓度大幅波动，打乱了系统运行的连续性。此类问题经常导致排放到当地公共污水处理厂（POTW，Publicly Owned Treatment Works）的废水超出许可限值，也会阻碍当地法规所要求的连续化学需氧量（COD）的去除率。手动测试COD时，需要3个多小时才能得到结果，而得到的结果数值不足以用于工艺调整。装瓶厂还考虑过扩建废水处理车间，但受到空间有限和来自生产车间的进水状况波动的限制。解决方法威立雅（Veolia）公司制定了废水处理车间初期改造方案，以导流和储存浓缩的有机物和高COD废水。在收集浓缩废水后，在水流的浓度较低的期间，将其慢慢计量流回工艺中。工作的首要目标是使出水“干净”、系统体积小，因此决定增加薄膜生物反应器（MBR）系统。膜系统采用碳负荷在线分析技术，使健康的生物物质通过优化营养比例来消耗“糖”。在污水处理设施中安装了Sievers InnovOx在线型TOC分析仪（见图1）。图 1：Sievers InnovOx在线型TOC分析仪InnovOx技术为装瓶厂提供了最好的大范围有机物监测系统，包括无与伦比的氧化稳固性，0.05-50,000 ppm动态线性工作范围，以及6个月校准曲线稳定性。此技术还提供用户可配置的警报和输出，以及直观的触摸屏显示器。此技术很容易设置、操作、维护，而且价格低廉。在通常情况下，仪器可以运行30天而无需更换试剂。InnovOx在线型分析仪具有极佳的多用性，其多样品流功能使用户能够用一台仪器来测量多达5个样品流。为了提供健康的生物物质，装瓶厂的应用要求采用100:5:1（碳/氮/磷）的比例。由于成分具有极高的可变性，和迄今为止最高的浓度，装瓶厂决定连续监测有机碳浓度，并向均质池中添加氨，以维持正确的碳/氮比例。TOC分析仪，编程输出负荷数据，并转化为相关性的COD值。当COD变化时，用于计算工艺控制氨剂量的投入。基本的水流性质就能满足对磷的需要。图2是装瓶厂的新废水处理系统示意图。图 2：装瓶厂的新废水处理系统示意图结果 系统稳定之后，体现了MBR的各种优点，其中包含：出水中的总悬浮固体（TSS）大幅减少。COD去除率大幅提高。使用在线型TOC分析仪，并将数值同COD测试相联系，使操作人员能够调整碳/氮/磷的比例。将InnovOx在线型TOC分析仪与MBR系统一起使用，解决了瓶装厂的废水处理车间遇到的许多水质问题。整个解决方案每年为瓶装厂节省数十万美元，包括昂贵的化学品开支、废水运输费用、违规罚款等。系统也更加容易操作，污染事故不再会造成违反允许要求的情况。具有可靠的在线分析性能的MBR系统所能提供的结果远非传统系统可比，这就是为什么近年来MBR的名声大噪。2000年时工业型MBR的安装量占全部商用MBR安装量的约27%。1参考文献1. Brindle, K., Jefferson, B., Judd, S., 和Stephenson, T., 污水应用的膜生物反应器◆ ◆ ◆联系我们，了解更多！