中國科學院近代物理研究所藥物中心（籌）科研人員利用蘭州重離子加速器國家實驗室提供的實驗條件，開展追加輻照影響梭菌在極端酸性環(huán)境下的應答趨勢研究，獲得新進展。
研究重離子追加輻照影響梭菌在極端酸性環(huán)境下的應答基本處于實驗研究階段，尚未形成系統(tǒng)、有效的理論來揭示和刻畫重離子追加輻照技術用于梭菌代謝生產有機酸的微觀機制和宏觀效果。闡明碳離子束輻照梭菌可刺激誘導在極端酸性環(huán)境下實現觸發(fā)acidogenesis期到solventogenesis期信號轉變應答，是很有意義但尚未深入開展的工作。
在追加輻照方面：基于追加輻照實驗數據，研究人員通過Logistic回歸建模結合馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法，擬合了給定輻照劑量區(qū)對于梭菌瞬時致死概率模型，并成功導出了該模型在貝葉斯框架下的50％、90％、95％和99％ 的置信區(qū)間（圖左上）。在篩選突變菌株數據方面：面對突變株產生的大量多維數據集，研究人員利用多元統(tǒng)計主成分分析方法（多維矩陣），進行了簡化多維數據集的分析和可視化（圖左中），并應用Hotelling's T2 statistic捕獲了高品質的突變菌株。在極端酸化突變菌株方面：研究人員通過改進微生物生長動力學的理論模型結合Logistic回歸建模，成功擬合了突變菌株在不同pH值下的生長信息（圖左下）。在測量pH值方面：生物反應器中使用的pH值探頭不能準確捕捉基板溶液中氫離子平衡或羥基離子平衡數據量變化的信息，往往造成檢測值與真實值存在0.1-0.2的誤差。研究人員依據測量數據并利用工程系統(tǒng)的Kalman filter模型算法不斷把covariance遞歸，從而算出每個k+1時刻以后k時刻的預測值和測量值的偏差，最終確定了生物反應器中真實pH值的變化趨勢規(guī)律（圖右上）。
基于上述實驗與實驗數據建模分析，近代物理所科研人員發(fā)現，由于重離子追加輻照打亂了突變梭菌生物體中的ack家族基因，部分PTAAK通路受損，突變體產生的ATP主要通過PTBBK途徑，導致突變體自身對于極端酸性環(huán)境的不太敏感性。除此之外，致使其在極端酸性環(huán)境中代謝通路的碳通量增加并朝向phosphotransbutyrylase → butyrate kinase pathway（圖右下）。有趣的是，突變體在極端酸性環(huán)境中產生了氫氣�？蒲腥藛T經過分析發(fā)現，這可能是因為突變體需要通過維持氧化還原平衡，因此有更多的NAD+轉換為NADH來補償能量效率的降低。然而，NADP+/NADPH保持恒定，上述結果說明了突變體在極端酸性環(huán)境中具有更穩(wěn)健的生產力。
這項研究結果不僅系統(tǒng)、有效地揭示和刻畫了重離子追加輻照技術用于梭菌代謝生產有機酸的微觀機制和宏觀效果，同時也為重離子輻照技術應用于微生物冶煉工程提供了全新的方法與策略。
此項研究得到國家自然科學基金及中科院“西部之光”人才項目的資助。
研究成果發(fā)表于《科學報告》（Scientific Reports 2016, 6, 29968)。
圖：重離子追加輻照影響梭菌在極端酸性環(huán)境下的應答趨勢
