脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是革兰氏阴性菌外膜的主要成分,但其结构的改变对细菌外膜的影响还不是十分清楚。埃希氏大肠杆菌(Escherichia coli)是革兰氏阴性菌的模式菌,其中一些是重要的工业生产菌,也有一些是食源性致病菌株。因此,研究LPS对E. coli外膜结构的影响对发酵工业菌株的改良和食源性病原微生物的检测与控制均有重要的指导意义。本研究立足于LPS和细胞外膜领域的最新研究进展,对LPS结构和E. coli细胞特性尤其细胞外膜特性之间的关系开展了系统研究。本研究选取了7株敲除或表达了不同LPS合成及修饰基因的E. coli,并分别以E. coli W3110和E. coli W3110/pWSK29为对照菌株,分析了各菌株合成的LPS的结构差异,系统研究了不同LPS结构的改变对细菌生长曲线、细胞渗透性和菌膜形成能力的影响。具体研究内容和主要成果如下:(1)提取了LPS及其重要疏水基团类脂A,并采用薄层层析色谱和离子源质谱鉴定其结构。确认了不同E. coli菌株可以合成不同结构的LPS。除W3110/pWSK29-LpxF及W3110/pWSK29-PagP两个菌株外,其它5个突变菌株的LPS结构改变程度均较高。生长曲线结果显示本课题中所涉及到的LPS的突变对7种突变菌的生长速率影响不大。(2)利用N-苯基-1-萘胺(N-phenyl-1-naphthylamine, NPN)测定方法,考察了9个菌株的细胞外膜渗透性。结果表明E. coli外膜渗透性和LPS的结构具有较强的相关性。LPS上磷酸基团、脂肪酸链和多糖链的所有改变均能增强E. coli细胞外膜的渗透性。其中多糖链长度的减少对E. coli细胞外膜渗透性影响最大,其次是脂肪酸链的数目变化,并且,脂肪酸链的数目改变越多,渗透性增加越多,不同位点脂肪酸链的改变对渗透性的影响也有区别。对E. coli突变株的抗生素最小抑菌浓度和细胞外膜对氨苄青霉素渗透能力的测定结果也与渗透性实验结果较吻合。外膜渗透性较高的菌株对抗生素表现出较高的敏感性,其胞内β-内酰胺酶也降解掉更多的氨苄青霉素。(3)研究了各菌株菌膜形成能力与LPS结构之间的关系。发现LPS上脂肪酸链和多糖链的改变会降低菌膜形成能力,其中,脂肪酸链的数目改变越多,菌膜形成能力越弱,不同位点脂肪酸链的改变对菌膜形成能力的影响也有区别;而磷酸基团的改变会增加菌膜形成能力,不同位点上磷酸基团的脱落会导致菌膜形成能力不同程度地增加。进一步研究了上述菌株的细胞表面疏水性和自身凝集性,发现在本课题中所涉及到的LPS脂肪酸链和多糖链的改变对菌株自身凝集影响较大,但对细胞表面疏水性影响不大。(4)综合分析LPS结构的改变与各个细胞外膜特性之间的关系。发现外膜渗透性改变越多的突变株其菌膜形成能力改变程度也越大;多糖链长度的减少对于课题中所有外膜特性的影响程度最大,其次是脂肪酸链数目的增多和减少。本课题首次系统研究了LPS结构对E. coli细胞外膜渗透性以及菌膜形成能力的影响。研究结果为合理改造工业微生物外膜结构提供了理论参考,对检测与控制革兰氏阴性致病菌有重要意义。