生物物理交叉研究的历程、现状和展望——山东省生物物理重点实验室交叉研究综述

立足母校,追梦生物物理交叉研究,创立具有生命科学大交叉特征的"山东省生物物理重点实验室",建立"山东省黄大年式教师创新团队",培育了"宽厚包容、交叉创新、合作共赢、砥砺前行"的创新文化,探索一条地方院校科研创新模式,在LncRNA生物信息学、纳米生传感等领域取得较好成果。学科交叉融合是当今科技发展的最大特征,抓住机遇,砥砺前行,为建设一流省级生命科学交叉研究平台、服务高水平应用型德州大学建设作贡献。

微囊藻毒素转运酶MlrD结构及生物学特性分析

微囊藻毒素(Microcystins, MCs)是一类由有毒蓝藻产生的具有肝毒性的环状七肽,生物降解能有效且持续的去除MCs,其中Mlr降解途径在MCs的生物降解过程中发挥了重要作用。转运酶MlrD被认为负责MCs及其降解产物的转运,但对于MlrD功能及其结构的研究依然缺乏。该文分析了MlrD的保守性并构建了其三级结构。结果表明,MlrD在MCs降解菌之间高度保守,MlrD二级结构由α-螺旋和无规则卷曲组成。进一步分析其活性位点为位于第2和3跨膜螺旋连接处的Gly69、Ala73、Asp74、Gly78、Arg79、Ala82、Ile83以及位于第5跨膜螺旋上的Phe142、Tyr143、Ala146、Val147、Gly150,可以通过突变或敲除活性位点研究其功能。该文为进一步研究MlrD的结构功能提供了理论基础,有助于深入了解MCs的转运及代谢机制。

砷对蚯蚓的滤纸接触毒性及硒的调节作用

为探究重金属砷(As)对蚯蚓的滤纸接触急性毒性及硒(Se)的调节效果,将赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)在不同Se(IV)浓度的基质(滤纸和土壤)中暴露适应后再进行As(V)的滤纸接触法急性毒性试验。结果表明:蚯蚓直接暴露于As染毒滤纸上的24、48 h的半致死浓度(LC50)分别为31.33、12.30μg/cm^(2);蚯蚓在Se浓度为0.5μg/cm^(2)的湿润滤纸上适应6 h后,As对其的LC_(50)分别为30.20μg/cm^(2)(24 h)和15.85μg/cm^(2)(48 h);蚯蚓在Se浓度为6、12 mg/kg的土壤中适应一周后,As对其的LC_(50)分别为34.67~35.48μg/cm^(2)(24 h)和18.62~21.88μg/cm^(2)(48 h)。蚯蚓经含Se滤纸和土壤适应后在48 h的LC50有所升高,说明Se能够在一定程度上提高蚯蚓短时间内对As的耐受能力。本研究为缓解土壤生物所受污染胁迫提供了新的研究思路与方法。

添加改性超交联微孔聚合物提升聚酰胺反渗透膜脱盐性能

聚酰胺反渗透膜是目前广泛应用的一款商用化水处理膜。然而其表面活性层聚酰胺的结构致密,会导致水通量与截盐率出现“trade-off”现象。针对该问题提出,选择具有多孔结构的、亲水性超交联聚合物复合材料作为添加剂,在界面聚合过程中引入聚酰胺活性层中,为水分子提供更多水通道。同时,纯烃本质的超交联聚合物与聚酰胺的高度相容性,保证了反渗透复合膜的高效截盐性能。经过脱盐性能测试,结果显示添加3.0 mg PDA@HCP-B-SO_(3)H的反渗透复合膜具有最高的水通量为44.4 L·m^(-2)·h^(-1),截盐率高达99.6%。相比于聚酰胺反渗膜,3.0-PDA@HCP-B-SO_(3)H PA RO的水通量提升了26.5%,截盐率基本保持不变;相比于只嫁接-SO_(3)H的HCP-B-SO_(3)H PA RO,水通量提升了11.6%(35.0 L·m^(-2)·h^(-1)上升至39.8 L·m^(-2)·h^(-1)),截盐率基本持平。这说明添加具有多孔结构的、亲水性强的改性超交联聚合物作为添加剂,是一种十分有效地提升聚酰胺反渗透膜性能的方法。

蚯蚓(Eisenia fetida)对硒的富集转化研究进展及其应用潜力

硒(Se)作为人和动物必需的微量元素之一,在维持机体健康等方面发挥着重要作用。鉴于目前我国部分缺硒地区人均日摄入硒量仍不能满足卫生行业标准(WS/T 578.3—2017)推荐量,因此,寻找硒富集量大、有机硒转化效率高且生物可利用率高的硒强化材料的任务依然迫切。硒在生物体新陈代谢过程中多与氨基酸结合,进而参与构成蛋白质。蚯蚓是一类蛋白质含量较高的土壤动物,系统分析了蚯蚓对硒的富集转化、蚓体硒的生物可利用率、硒对蚯蚓生长繁殖和蚓体营养成分的影响,并对蚯蚓作为动物源硒强化材料的应用潜力进行了讨论与展望,以期为富硒农业产业的发展提供一定的理论依据和科学支持。

抗苗勒氏管激素(AMH)的生物学作用及其在马属动物中的应用

抗苗勒氏管激素(AMH)在睾丸间质细胞、卵母细胞发育方面具有重要的生物学作用。在临床应用上,作为马属动物隐睾、卵母细胞和胚胎质量的可靠内分泌标记物,可用于评估成年马生殖寿命和卵巢卵泡储备的情况,以及在对马属动物纳入胚胎生产计划之前作为可靠的标记之一来选择优秀的供体,这些方面的应用将对马属动物的生产将产生较大的应用价值。

基于16S rDNA扩增子测序技术分析猪乳汁中微生物菌落多样性

为了掌握猪乳汁中微生物的多样性,并为研究仔猪饲料中的益生菌添加提供科学依据,本研究利用16S rDNA扩增子测序技术对两常见猪品种(大白猪和皮特兰猪)在不同泌乳阶段的乳汁微生物多样性进行比较分析。结果显示,母猪成熟乳微生物多样性和丰富度降低,不同泌乳阶段菌群结构差异较大;随着时间的增加,两品种母猪乳汁中的优势菌门和优势属种类和相对丰度发生不同程度的变化;埃希氏-志贺氏菌属、链球菌属、莫拉氏菌属和拟杆菌属等为猪乳汁中的致病菌。本研究表明猪乳汁微生物多样性受品种和泌乳阶段的显著影响。

两种硒源对红秆萝卜芽生长、硒富集及抗氧化酶活性的影响

为探究硒(Se)对红秆萝卜芽生长、硒累积、品质及抗氧化酶活性的影响,采用不同浓度亚硒酸钠(Se4+)和硒酸钠(Se6+)以浸种+水培方式培养萝卜芽。萝卜芽对Se6+的累积能力较Se4+强且呈剂量-效应关系,最高Se富集量分别为168.37和117.40 mg·kg-1;萝卜芽Se富集系数均随Se浓度升高而减小;与对照相比,低质量浓度Se6+(0.5、1.0 mg·L^(-1))显著促进了萝卜芽苗高生长和苗质量增大,有效增加了萝卜芽产量;4.0 mg·L^(-1)高质量浓度Se6+对萝卜芽总酚和类黄酮表现出抑制作用;Se4+促进了叶绿素和花青素含量的提高;2种Se对萝卜芽POD活性和GSH含量无显著影响,CAT活性均随Se浓度增加表现先升高后降低的趋势,与MDA含量变化趋势相反;SOD酶活性随Se4+浓度增加而持续升高。综合来看,Se6+在促进萝卜芽生长、Se累积和抗氧化酶活性升高方面表现较佳。0.5、1.0 mg·L^(-1)Se6+处理对萝卜芽可食产量、品质和抗氧化能力的提升作用较显著。该研究可以为富硒萝卜芽的实际生产提供理论依据和指导。

仔猪生长发育关键基因筛选和功能分析

为揭示对仔猪背最长肌和皮下脂肪组织生长发育过程起关键作用的基因,从GEO数据库下载背最长肌和皮下脂肪组织各18个转录组测序数据,采用Ensembl release 104版本的猪基因组和注释文件,进行生物信息学分析。结果显示,在所有样本中共获得79 800个转录本,其中包括29 118个mRNA、2 105个已知长链非编码RNA (lncRNA)和47 142个新的转录本。两种组织中共获得34 873个差异表达的转录本,包括12 536个差异表达的mRNA。对差异表达的mRNA进行KEGG和GO功能富集分析显示,肌节组织(sarcomere organization)、肌动蛋白细胞骨架组织(actin cytoskeleton organization)等通路与背最长肌发育性能相关,关键基因包括MYPN、TNNT1和PDLIM3等;脂肪细胞因子信号通路(Adipocytokine signaling pathway)、鞘脂信号通路(Sphingolipid signaling pathway)、脂肪酸代谢(Fatty acid metabolism)等通路与脂肪组织发育相关,关键基因包括SCD5、PCK1和FASN等。本研究详细分析了可能影响断奶仔猪生长性能的基因及通路,为断奶仔猪生长发育相关分子生物学的研究提供理论支撑。

成猪INHBA基因相关长非编码RNA的筛选

抑制素以一种反馈抑制的方式在卵母细胞增殖、卵泡发育中,发挥重要作用,尽管之前的研究已经证实了抑制素对哺乳动物繁殖性能的相关作用,但关于其相互作用长非编码RNA(Long non-coding RNA,lncRNA)的数据有限。lncRNA过去一直被忽视,被认为是转录噪音,现在的研究逐渐表明,lncRNA在很多生理过程中充当着不可或缺的角色,尤其是在转录、转录后多个水平参与调控,但其对生殖生理的调控作用研究相对较少。本研究拟利用生物信息学方法,综合分析筛选INHBA相关lncRNAs,再经分子生物学方法在细胞水平进行功能验证,在挖掘、利用繁殖相关分子标志物等方面具有重要的科学意义。

添加共试剂改善聚酰胺复合反渗透膜的性能

将N,N′-二甲基乙酰胺(DMAc)作为共试剂添加在间苯二胺水溶液中参与界面聚合反应,以改善聚酰胺复合反渗透膜(PA-RO-x,x代表添加DMAc的质量分数)的性能.X射线光电子能谱(XPS)和衰减全反射傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)分析表明,随着DMAc含量的增加,复合膜结构中交联聚酰胺含量相对于线性羧基部分有所增加;场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和原子力显微镜(AFM)表征结果显示,随着DMAc含量的增加,膜表面的粗糙程度逐渐增大;静态水接触角测试结果表明,添加DMAc后,膜的亲水性增强.结合上述测试结果发现,添加DMAc可以有效降低水油两相的不相溶性,提高水相中间苯二胺向正己烷中扩散的速率,这有助于加快间苯二胺与均苯三甲酰氯反应;同时,聚酰胺结构中交联酰胺含量的增加可以提供更多的氢键位点,有助于水分子快速渗透通过复合膜而不损失截盐率;膜表面的粗糙程度变大,有助于提高水通量.在2 g/L的氯化钠溶液和1.6 MPa测试压力条件下,PA-RO-5.2(DMAc添加质量分数为5.2%)的渗透通量和截盐率分别为66.1L/(m^(2)·h)和98.7%,与未添加DMAc的聚酰胺复合反渗透膜相比,通量增加115%,截盐率仅下降0.9%.

DNA/RNA提取及处理方法对评价沉积物中纤毛虫分子多样性的影响

环境DNA(eDNA)技术结合高通量测序已广泛应用于评价微型生物多样性与群落构成。相较于eDNA,RNA在环境中易降解,环境RNA(eRNA)可更准确地反映群落近期生命活性状态。理论上,基于eRNA检获的生物多样性要低于eDNA检获的总体多样性。但前期已发表研究显示同一站点eDNA获得的多样性低于eRNA检获量,推测可能原因包括:1)样本量不同;2)RNA中存在DNA污染。为验证假设,本研究以陆架区2个站位沉积物中的纤毛虫为实验对象,系统性比较4种DNA/RNA提取方法:DNA直接提取(0.9 g沉积物),大样本量DNA直接提取(2 g),DNA洗脱法(2 g),RNA直接提取法(2 g);以及3种RNA提取后的处理方法:无DNA酶反转录,含DNA酶反转录,先纯化RNA再反转录。研究结果表明,大样本量(2 g)DNA直接提取法所检获的可操作分类单元(OTUs)约为小样本量(0.9 g)的2倍。相同样本量下,DNA洗脱法检获的OTUs最多,而DNA直接提取检获的OTUs低于有/无DNA酶反转检获的数量,先纯化再反转录所获得OTUs最少。就群落构成而言,DNA洗脱法和RNA纯化可有效降低浮游类群比例,可更真实展现底栖群落的构成。综上,建议使用DNA洗脱法评价沉积物中微型生物的总体多样性;采用eRNA研究具有生命活性的生物群落时,反转录之前可纯化RNA,以获得更加准确的具有生命活性的群落信息。

基于随机序列的固有无序蛋白预测算法比较分析

固有无序蛋白质(IDPs)是一种普遍存在且缺乏稳定空间结构的重要功能蛋白,为传统的蛋白质序列-结构-功能研究模式提出了挑战,成为当前蛋白质科学研究的热点领域。由于其特殊的柔性结构特征,IDPs的实验研究难度大,通过计算方法来预测IDPs成为IDPs研究的重要手段。然而由于被实验证实的IDPs还很少,对IDPs预测算法的有效评价还缺少可靠的数据集,因而通过人工设计随机蛋白序列并提出分析数理模型,从无序区残基分布、组成等多角度对两种代表性IDPs预测算法的预测结果进行了深入对比研究。结果表明各随机序列中不同IDPs预测算法得到的预测结果具有不同程度的差别,预测得到的无序区与天然蛋白中无序区序列特征一致,因此对IDPs的研究应充分考虑不同预测算法差异特征,提高研究结果的可靠性。

高效氨氮降解菌株的筛选及其降解条件优化

水体中N、P等营养盐的过多引起的水体富营养化严重破坏了生态系统的平衡.本文以(NH4)2SO4为唯一氮源,自活性污泥中分离得到36株氨氮降解菌,经过菌种复筛,获得氨氮降解率最高的一株菌:AD-7,经分子生物学鉴定该菌株为Galactomyces属.以初始氨氮浓度、接种量和pH为唯一变量进行单因素实验,并依据单因素实验结果进行Box-Behnken设计,利用响应面法分析三个因素之间的交互作用及确定最适的氨氮降解条件.结果表明,该菌株在三个因子多个不同配比情况下氨氮降解率均在99%及以上,并在pH 5.59,初始氨氮浓度291.16 mg/L,接种量2.21%时氨氮降解率预测值为100%,实测值仍可达到99%.本研究结果对含氨氮污水处理过程中菌种的使用及各因素之间的调节具有重要的指导意义.

四种长链非编码RNA在乳腺癌中的表达及与患者预后的关系

目的探讨EGOT、MEG3、KCNQ1OT1和NEAT1四种LncRNA在不同亚型乳腺癌患者中的表达及与患者临床病理特征及预后的关系。方法利用UALCAN网站挖掘TCGA数据库等大数据,分析四种LncRNA在1097个乳腺癌组织样本和114个正常组织样本中的表达,用Kaplan-Meier Plotter法绘制生存曲线,分析四种LncRNA与乳腺癌患者预后的关系。通过LinkedOmics网站和ClueGO工具分析与它们表达相关的蛋白质的主要功能。结果EGOT、MEG3在乳腺癌组织中的表达显著低于正常组织(P<0.05);HER2阳性乳腺癌中KCNQ1OT1显著低表达(P<0.05);NEAT1在Ⅳ期、HER2阳性和三阴性乳腺癌中的表达显著低于正常组织(P<0.05)。四种LncRNA的表达水平与乳腺癌患者的无复发生存时间(RFS)均有显著相关性(P<0.05),且LncRNA低表达时乳腺癌患者的RFS和预后较差。通过功能富集分析发现与四种LncRNA表达相关的蛋白质均与重要生物过程或通路相关。结论四种LncRNA在乳腺癌或部分亚型中表达下调,它们可能是乳腺癌中潜在的抑癌因子,且可成为判断乳腺癌患者预后的生物学指标。