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我院研究工作揭示食品用纳米颗粒影响人类共生细菌的代谢过程
2022年11月23日 17:11 返回列表

近日,我院在Environmental Science: Nano期刊发表题为Food-related engineered nanoparticles and food-grade TiO2 impact the metabolism of a human commensal bacterial strain in physiologically relevant conditions的研究论文(DOI: 10.1039/D2EN00685E)。


内容提要

在模拟生理条件下,纳米银显著抑制了唾液链球菌K12的生长并呈现出剂量依赖性,而SiO2TiO2等其他3种纳米颗粒对细菌的生长并未产生抑制;

在低于生长抑制浓度下,四种纳米材料均显著改变了唾液链球菌K12基因组中两种细菌素Salivaricin的表达水平,对指示剂M. luteus的拮抗活性增强;

细菌生长中产生的代谢产物影响了纳米颗粒的生物转换过程;

研究结果表明,食品用纳米颗粒与共生细菌发生相互作用,既可以干扰细菌代谢,也可以影响纳米材料自身的生物转化。

导读

随着纳米技术在食品工业中的广泛应用,人们通过食物摄入暴露于食品用纳米材料NPs的机会显著增加。这些NPs经口腔摄入人体后,会接触存活在人体消化系统的共生微生物,而共生微生物在人体健康和疾病中扮演重要角色。因此,NPs与人体共生微生物之间的相互作用及其生物效应值得关注和研究。本工作采用人工唾液模拟接近人体口腔环境的暴露条件,研究不同生理条件下AgSiO2TiO2 NPs以及食品级TiO2这四种纳米颗粒对唾液链球菌K12(一种栖息在人类口腔中的有益细菌)生长和拮抗活性的影响,以及细菌诱导的NPs的生物转化。

1. 图文摘要

主要内容

影响食品用NPs生物效应的主要因素是NPs与生理溶液中的生物分子和食品基质或细菌分泌的化合物之间的相互作用。首先,我们评估了食品用NPs在不同介质中的物理化学变化。结果表明含细菌分泌化合物的介质显著增加了NPs的聚集(图2),显示在模拟消化道条件时考虑微生物化合物影响的重要性。

2. 原始和转化后的NPs的表征

唾液链球菌K12Streptococcus salivarius K12)是一种兼性厌氧菌,这意味着它既可以定植于人类有氧的口腔,也可以在无氧的结肠环境中生长。我们在模拟生理条件的人工唾液中测定了4NPs在有氧和无氧条件下对唾液链球菌K12的影响。结果表明,无论在有氧还是无氧条件下,SiO2TiO2和食品级TiO2在浓度高达100 mg/L均不影响唾液链球菌K12的生长,而Ag NPs10mg/L浓度下明显抑制细菌的生长并呈现出剂量依赖性(图3)。

3. 唾液链球菌K12暴露于不同NPs1, 10, 100 mg/L)时的特定生长速率

尽管SiO2TiO2 NPs以及食品级TiO2急性毒性低,对细菌生长无抑制,但这些NPs对有益细菌可能有更加微小的影响。这些微小的变化可以在基因表达水平上体现出来。由于唾液链球菌K12分泌的细菌素Salivaricin是重要的代谢物,可以确保这些细菌在微生物群中的竞争力,也可能在人类的免疫保护特性中发挥作用,因此我们测定了唾液链球菌K12暴露4NPs后细菌素Salivaricin编码基因的表达水平。结果显示,在低于生长抑制浓度下,4NPs显著改变了唾液链球菌K12基因组中两种细菌素Salivaricin的结构基因(salAsboA)、信号传导基因(sboK)和细菌素免疫赋予基因(sboG,一种ABC转运体)的转录(图45)。

4. 有氧(a, b)和无氧(c, d)条件下唾液链球菌K12暴露于不同NPs后细菌素基因表达的变化

2555C

5. 有氧条件下唾液链球菌K12暴露于不同NPs后的细菌素基因表达随暴露时间(1h, 4h, 18h)的变化

基因表达的变化并不总是转化为生理效应。为了确定转录水平的影响是否在生理水平上得以体现,我们测定了唾液链球菌K12对指示剂M. luteus的拮抗活性,结果显示4NPs诱导的基因表达变化与生理水平上的影响一致(图6)。

6. 有氧条件下唾液链球菌K12暴露NPs不同时间后的拮抗活性

总之,本工作研究了食品用NPs对人类共生细菌的影响,发现四种常见食品用NPs不会抑制口腔共生细菌的生长,但会显著影响细菌素的基因表达和细菌的拮抗活性,可能会影响它们在口腔微生物群中的竞争力。结果还表明,微生物在经口摄入NPs的生物转化过程中具有潜在作用,突显食品用纳米材料风险评估的重要性。


本项工作得到国家自然科学基金(NSFC 22036005、外国优秀青年学者研究基金项目22150610471)和中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室(NSKF202001)的支持。

全文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/en/d2en00685e

作者简介

第一作者:

D3A4

张伊榕,硕士研究生,毕业于中国计量大学生命科学学院、环境与健康科学研究院,研究方向为人工纳米材料对人类共生细菌的影响。

通讯作者:

Monika Mortimer,副教授,硕士生导师,中国计量大学质量与安全工程学院环境工程专业、中国计量大学环境与健康科学研究院教师。研究方向为人工纳米材料的环境和健康影响,目前的研究探索了人类细菌和纳米材料之间的分子水平的相互作用,以阐明人工纳米材料与微生物群相互作用时的作用机制、生物转化和命运。方法包括通过转录组学进行非目标基因表达分析和对细菌代谢物进行目标分析,研究为评估人工纳米材料作为环境污染物、食品和消费品添加剂的风险和安全性,以及生物医学领域中更安全的设计纳米材料的开发提供了新的见解。

郭良宏,研究员,博士生导师,中国计量大学环境与健康科学研究院院长,中国计量大学质量与安全工程学院环境工程专业教师。国家基金委杰出青年基金获得者,国家科技部重大科学研究计划首席科学家,英国皇家化学会Fellow。曾任环境化学与生态毒理学国家重点实验室副主任,中国科学院生态环境研究中心研究员,《环境化学》主编, Environmental Science: Processes and Impacts副主编,中国毒理学会分析毒理专业委员会常务委员,中国化学会环境化学专业委员会委员,中国环境科学学会环境医学与健康分会委员,中国仪器仪表学会分析仪器分会电化学分析专业委员会委员。研究方向为环境毒理学与环境健康,主要包括持久性有机污染物、大气颗粒物、环境纳米材料等典型和新污染物的毒性作用机制及其快速筛查方法。




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