自然条件下,细菌附着于生物或者非生物表面,通过一系列的复杂过程,形成群落化和高度结构化的生物被膜(biofilm)结构,该生物被膜结构主要由蛋白质,多糖,核酸等物质组成。生物被膜作为一种更有优势的生存模式,可以帮助细菌对抗恶劣的环境条件,如紫外线、金属毒害、不利pH、干燥、强盐、抗生素等不利环境。粘细菌(Myxobacteria)作为一类高等原核生物类群,是研究原核生物分化发育和细胞间信号传导的重要材料,并能形成十分复杂的生物被膜结构。通过我们的前期研究,首次证实了粘细菌的代表类群黄色粘球菌(Myxococcus xanthus)形成的生物被膜胞外基质中存在大量高度组织化的胞外DNA(Extracellular DNA,eDNA),并且 eDNA 与胞外多糖(Extracellular polysaccharide,EPS)分子呈现了明显的共定位分布,形成了复合型的胞外基质(Extracellular matrix,ECM)。我们提出M.xnthus胞外基质中 eDNA 与EPS分子之间发生了大分子相互作用,这一相互关系导致了 eDNA以一种化学/物理有序的方式与EPS紧密交织,遵循类似的构建和分布方式,形成复合型胞外基质的网络结构,为黄色粘球菌生物被膜履行各种生物功能提供物质和结构基础。本论文综合利用微生物学、生物化学以及分子生物学等多种方法,按照从简单到复杂,从体内到体外,从化学分子水平到细胞系统水平的原则展开了相关研究。首先,我们对eDNA与EPS的相互作用进行了确认,接着探究二者相互作用的化学本质以及二者的相互作用对DNA构象的影响。我们对纯化后的eDNA和EPS进行了体外相互作用表征,利用透射电子显微镜观察,确认了二者可以在体外形成复合物。光散射技术建立的eDNA-EPS体外相互作用的表征体系表明,DNA-EPS复合物的形成可导致光散射强度的强烈增加。接着,我们探究了随pH的变化,EPS与DNA之间结合强度的变化。结果显示,荧光的增强幅度与pH有关。这说明在eDNA-EPS体外相互作用的过程中,静电作用可能处于主导位置。另外,使用溴化乙锭(EB)进行染料的竞争替代实验是表征待测物质与DNA相互作用的非常有效的方法。我们通过染料替代的实验方法验证了 EPS和DNA之间的结合作用。在不使用外源探针的情况下,我们利用傅里叶变换红外光谱技术测定DNA-EPS之间结合的特征,结果表明,EPS分子可能只是嵌入了 DNA分子的大沟中,并不足以影响DNA的构象。然后,我们通过圆二色谱进一步确认了 EPS对DNA构象的影响,实验结果表明DNA仍然保持了 B构象,也就是说EPS与DNA的相互作用是一种中弱强度的相互作用,保持了一定程度的可逆性。在上述的实验基础之上,我们表征了 eDNA-EPS的相互作用所赋予整合型ECM的相关生物学功能和特性,通过系统的实验证明了 eDNA与EPS的相互作用对于构建DNA-EPS整合型ECM以及功能的履行是十分重要的。首先,我们表征了 DNA-EPS复合物的粘着力,结果显示复合物的粘度比单独的DNA和EPS粘度明显增大。原子力显微镜(AFM)的检测结果也表明经DNase Ⅰ处理后的生物被膜表面粘附力也明显减弱。这说明eDNA对维持胞外基质的粘附力和机械强度有非常重要的作用。接下来我们确认了 EPS具有保护DNA免受各种核酸水解酶攻击的作用,从而保证eDNA在基质中持续稳定地存在。此外,我们证实了具有eDNA的M.xanthus DK1622生物被膜对于阴离子和阳离子表面活性剂具有更强的耐受性,并且去除eDNA后细胞对氨基糖苷类抗生素的耐受性减弱,这说明eDNA-EPS复合型的ECM可以提高生物被膜的耐受性和抗逆性。M.xanthus子实体和粘孢子是其抵御恶劣环境的一种策略,除此之外,M.xanthus可以捕食包括蓝细菌、大肠杆菌、根瘤菌等各种原核生物。我们探究了 eDNA缺陷菌株对粘细菌子实体发育和捕食的影响,结果表明,eDNA对于其子实体发育基本无影响,对大肠杆菌的捕食、摄食以及邻近捕食也无影响。有趣的是,我们发现在加入DNA的培养条件下,SW504(△difA)得到了更好的生长,说明eDNA可以作为细胞的营养成分支持其在饥饿条件下的存活。最后,我们分别在液体培养条件下以及生物被膜培养条件下对M.xanthus eDNA含量随其生长的变化趋势进行了测定。初步的研究结果表明,M.xanthus eDNA主要来自于细胞生长后期的细胞裂解,且eDNA与基因组DNA具有极高的相似性。另外,在细胞没有发生裂解的情况下,生长前期的eDNA的释放表明,M.xanthus很可能还存在一个eDNA的主动分泌过程,这一点还有待于进一步验证。本论文的研究结果不但可以帮助我们更加深入地了解eDNA和EPS在细菌生物被膜形成过程中的作用,还可为研究细菌生物被膜抗性以及寻找治疗相关疾病的药物提供借鉴。