Press Releases  | 16 Mar 2021

科大破解人类口腔微生物合成次生代谢小分子促进牙菌斑形成的奥秘

为预防龋齿开辟新途径

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由香港科技大学(科大)海洋科学系及生命科学部讲座教授钱培元带领的一支跨学科研究团队,揭示了人类口腔变形链球菌(Streptococcus mutans)释放出的新型微生物小分子与龋齿的发展有关,为人类口腔微生物群对健康的影响提供了新的科学证据,推动了未来预防龋齿的研究。现该研究成果已发表在权威前沿科学杂志Nature Chemical Biology, 并获Nature以亮点研究进行报道 。

生物膜(biofilm)是由细菌胞外大分子包裹的细菌群体组成;地球上每一个湿润的表面都被生物膜所覆盖。美国国家卫生研究院(National Institutes of Health)早期研究表明,超过80%的人类细菌感染是由生物膜引起的。 变形链球菌是生存在人类口腔的主要天然菌,因其具有形成生物膜和产生有机酸的能力,其长期以来一直被认为是龋齿的主要病原。

龋齿是困扰人类的最常见的慢性细菌感染疾病之一,且治疗费用昂贵。全球每年用于治疗龋齿的经济支出高达数十亿美元1 。龋齿的发展是一个复杂的过程,主要依赖于牙齿表面微生物生物膜(又稱牙菌斑)的形成。尽管变形链球菌中关于生物膜形成和发展的大分子已被广泛研究,但小分子次生代谢产物在这种细菌生物膜形成中的作用仍未被深入探究。

钱教授的研究团队致力于运用基因组学、转录组学和化学生物学的方法,研究生物膜的信号分子如何调控微生物及动物間的相互作用。最近,该团队将生物膜研究拓展到公共卫生领域。

通过与美国加州大学伯克利分校张文君教授、Roya MABOUDIAN教授和美国佛罗里达大学口腔学院的Robert BURNE教授合作,研究团队从临床牙菌斑分离的变形链球菌菌株中发现了一种聚酮/非核糖体肽生物合成基因簇muf,该基因簇与生物膜形成能力的增强直接相关。随后,他们鉴定了与muf产生的具有新型分子骨架结构的生物活性产物——mutanofactin-697。进一步的作用机制研究表明这种独特的微生物次级代谢物,是通过一种前所未有的理化机制(physiochemical mechanism)促进生物膜的形成:该小分子通过与变形链球菌细胞和胞外DNA结合来增加细菌的疏水性,进而促进细菌粘附和生物膜的形成。

本身亦為科大捷成David von Hansemann 理學教授的钱教授表示:「我们首次发现了微生物次生代谢产物是通过理化机制促进生物膜形成,突出了次生代谢产物在介导与龋病发展相关的关键过程中的重要性。」

硏究团队中的李忠瑞指出,这一发现将推进人类口腔生态中与mutanofactin相关的化学调控过程的研究,以及链球菌引起的龋齿发生及其预防机制的探索。


1全球口腔健康造成的经济负担达4 420亿美元
https://www.nature.com/articles/bdjteam2015148

(左上图)生物合成基因簇muf或mutanofactin-697(5)对人造丙烯酸牙表面生物膜形成的影响。(左下图)mutanofactin-697(5)的拟议生物合成途径。(右图)mutanofactin-697(5)促进链球菌生物膜形成的拟议机制:5 在链球菌内经生物合成并被分泌出来后,与自身和邻近的链球菌结合,在细菌细胞周围形成表面层。疏水层增加细菌细胞表面的疏水性,促进细菌的初始粘附及随后的生物膜形成和成熟。此外,5 还直接结合eDNA,并促进eDNA介导的细胞聚集和生物膜形成。
(左上图)生物合成基因簇muf或mutanofactin-697(5)对人造丙烯酸牙表面生物膜形成的影响。(左下图)mutanofactin-697(5)的拟议生物合成途径。(右图)mutanofactin-697(5)促进链球菌生物膜形成的拟议机制:5 在链球菌内经生物合成并被分泌出来后,与自身和邻近的链球菌结合,在细菌细胞周围形成表面层。疏水层增加细菌细胞表面的疏水性,促进细菌的初始粘附及随后的生物膜形成和成熟。此外,5 还直接结合eDNA,并促进eDNA介导的细胞聚集和生物膜形成。
(資料图片)钱培元教授(右)及其研究团队中的李忠瑞(左)一直研究微生物及动物间的相互作用。
(資料图片)钱培元教授(右)及其研究团队中的李忠瑞(左)一直研究微生物及动物间的相互作用。

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