趋磁细菌是一类能够沿着地球磁场或外加磁场定向运动或排列的原核生物，它们的这种性质叫做“趋磁性”。趋磁细菌可以在体内合成一种特殊的细胞器-磁小体，磁小体是有膜包被的纳米级磁颗粒(Fe3O4或Fe3S4)，在胞内排列成链指导菌体产生趋磁性。磁小体的颗粒尺寸大小均一，具有较大的比表面积，晶形完美，并且磁颗粒外有生物膜包被，在溶液中不聚集，具有很好的分散性，其在生物、医学以及工业等领域有很广阔的应用价值。　　 作为存在于原核生物体内的膜包被颗粒，磁小体的合成机制引起了许多研究者的兴趣。已有的初步研究表明，磁小体的合成是一个复杂的过程，主要包括：铁的吸收，磁小体囊泡的形成，铁转运到囊泡中以及磁铁矿的生物矿化几个步骤，这几个步骤不是独立的，而是相互联系的，并且受到严格的基因控制。随着趋磁细菌遗传操作体系的建立，在基因水平上研究磁小体的合成机制已经成为现实；而几株趋磁细菌基因组的测序与“磁小体岛”的鉴定，更是加快了磁小体合成相关基因的研究进展。研究结果表明，磁小体的组装是一个“步进式”的过程，包括细胞质膜内陷成为磁小体囊泡、磁小体蛋白的定位、磁小体排列成链、磁铁矿的形成及晶体成熟等步骤。　　 本论文以趋磁螺菌AMB-1为材料，对其参与生物矿化过程的磁小体岛蛋白Mms6的性质及其基因mms6的转录表达与磁小体合成之间的关系进行了系统的研究；同时，通过TnSC189转座诱变筛选到一株磁小体合成受影响的突变株，对突变基因的性质及作用机制进行了详细的研究，具体工作内容和研究结果如下：　　 1.在转录水平上确定了磁小体岛基因mms6与磁小体合成之间的关系:依据无机矿物形成的机理不同，生物矿化作用分为两种：生物诱导矿化作用和生物控制矿化作用，趋磁细菌在体内合成磁铁矿是生物控制矿化作用的典型代表。在趋磁螺菌AMB-1中，紧密结合在磁铁矿上的蛋白Mms6可以控制磁小体的晶体形态，其可能参与了磁小体合成中的生物矿化过程；而在基因水平上，该基因的转录可能会随着磁小体的合成而发生变化。通过荧光定量PCR以及RT-PCR技术分析基因mms6在不同培养条件下转录水平的变化，结果表明趋磁螺菌AMB-1在不合成磁小体的好氧条件下培养时，基因mms6的转录水平随着菌体的生长没有明显的变化，并且要远远低于在液体静置培养合成磁小体时的转录水平；在液体静置培养时，随着菌体生长，基因mms6在转录水平上会发生变化，并且其转录水平随着菌体产磁(Cmag)的提高而提高，但在Cmag值趋于稳定的时候转录水平随之降低，这表明基因mms6的转录与趋磁螺菌AMB-1的磁小体合成有密切关系。这是首次在转录水平上证明了基因mms6与磁小体合成之间的关系。进一步将基因mms6的启动子与GFP融合，在趋磁螺菌AMB-1中进行绿色荧光蛋白的表达，并分析随着菌体的生长荧光光谱的变化以间接反映mms6基因启动子的转录水平变化。结果发现，GFP特征发射峰随着菌体Cmag值的出现而出现；并在菌体的Cmag值逐渐达到最高值的时候，出现最高峰值；一旦Cmag值趋于稳定，峰值将明显下降。这与荧光定量PCR的结果一致，再次证明了基因mms6的转录与磁小体的合成有关。　　 2.完成了蛋白Mms6的异源表达纯化与性质研究:通过亲和层析，纯化得到了重组蛋白GST-Mms6和His-Mms6，并对重组蛋白His-Mms6的性质进行了研究。结果表明，重组蛋白His-Mms6在非变性条件下以多聚体的形式存在，CD光谱显示其含有大量的α螺旋二级结构；利用透射电子显微镜观察到该蛋白可以自发聚集形成中空的环状结构，而有研究表明这种自发聚集性质在生物矿化过程中通常会促进或者抑制晶体的生长；通过铁染色没有成功观察到重组蛋白His-Mms6结合铁离子的特征，但发现铁离子的存在会破坏其构象变化。与此同时，对mms6进行了插入失活，结果发现该基因突变株的Cmag值仅为野生型的50％，这与荧光定量PCR以及GFP荧光光谱分析结果一致(二者均反映基因mms6的转录与菌体Cmag值有密切的关系)。最新的研究结果表明基因mms6在体内可以控制磁小体的晶体尺寸和晶体形态，这也与体内突变实验结果相吻合，并在一定程度上反映磁小体的晶体尺寸和晶体形态可以影响菌体的Cmag值。　　 3.通过转座子TnSC189随机诱变趋磁螺菌AMB-1筛选获得2株磁小体合成受影响的突变株虽然在基因水平上有很多关于磁小体合成机制的报道，但是研究结果大部分集中在染色体“磁小体岛”区的内部基因，而“磁小体岛”区域的外部基因影响磁小体合成的报道很少。利用转座子TnSC189转座诱变趋磁螺菌AMB-1，从2000株随机突变株中筛选到6株磁小体合成受影响的突变株，其中有3株丢失了与磁小体合成密切相关的整个“磁小体岛”区域；而对其他3株突变株进行突变基因鉴定分析发现，其中1株突变株的突变基因是“磁小体岛”内部mamAB基因簇中的基因amb0967(而mamAB基因簇已被证实与磁小体合成密切相关)，另外两株突变株AMB01和AMB06的突变基因位于“磁小体岛”外，分别是基因amb2469(核酸内切酶)和amb2944(一氧化氮还原酶)。在液体静置条件下，AMB01可以正常生长，但只能微弱响应磁场(Cmag值约为野生型的10％左右)；而AMB06不能响应磁场(Cmag值为零)，并且有很严重的生长缺陷(最高菌浓仅为野生型的40％)。“磁小体岛”外部区域中磁小体合成相关基因的发现对于探讨磁小体合成具有重要的价值。　　 4.趋磁螺菌AMB-1的反硝化途径参与厌氧条件下的菌体生长及磁小体合成趋磁螺菌AMB-1可以在微好氧和厌氧条件下利用硝酸盐作为最终电子受体，进行反硝化途径。对AMB-1的基因组分析表明，该菌存在一条完整的包括硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、一氧化氮还原酶以及一氧化二氮还原酶在内的反硝化途径。将编码亚硝酸盐还原酶的基因在AMB06(一氧化氮还原酶失活)中突变得到了双突变菌株AMB0602，以硝酸盐为唯一氮源在不同条件下对AMB-1、AMB06以及AMB0602进行培养，实验发现在不同的氧分压条件下，反硝化途径对趋磁螺菌的生长和产磁分别存在不同的影响：在液体静置培养条件下，野生型AMB-1正常生长并合成磁小体，反硝化途径受阻的AMB06不能正常生长也无法合成磁小体，而AMB0602可以部分恢复生长和产磁，这表明亚硝酸盐还原酶的突变可以在一定程度上补偿一氧化氮还原酶的突变所造成的影响。在厌氧条件下，反硝化途径可以维持AMB-1正常生长并合成磁小体；AMB06和AMB0602表现出更严重的生长缺陷，合成的磁小体链非常短(2-8个磁小体)，而野生型菌株中磁小体链平均含有20个以上的磁小体；此结果反映一氧化氮还原酶的突变没有使AMB06丧失合成磁小体的能力，但由于其突变而造成的反硝化途径的阻断却可以严重影响其菌体生长以及合成磁小体的能力。当培养条件对菌体的生长和磁小体合成均适宜的时候(有充足的氧气供菌体生长，但培养基中的溶氧可以达到磁小体合成的要求)，AMB-1、AMB06以及AMB0602的生长和磁小体合成都没有明显的差异；同样，在好氧条件下三者的生长也没有差异，但都不能合成磁小体；说明在有充足的氧气供菌体利用的时候，菌体不会利用硝酸盐作为最终电子受体进行反硝化途径。这是首次在基因水平上研究趋磁螺菌AMB-1中的反硝化途径，并首次揭示了在不同培养条件下反硝化途径与菌体生长以及磁小体合成之间的关系。　　 5.证明了趋磁螺菌AMB-1在厌氧条件下不能利用铵盐进行生长利用铵盐为唯一氮源对AMB-1和AMB06进行培养时发现：二者均可以利用铵盐在好氧和液体静置的条件下进行生长；但在厌氧条件下，二者均不生长，但如果在培养基中添加硝酸盐或者通入空气，AMB-1又可以继续生长和产磁。这表明AMB-1在厌氧条件下无法进行铵氧化并进行反硝化反应，由此不能够利用铵盐为唯一氮源进行生长。