乳酸菌细菌素抗菌潜力挖掘研究进展

乳酸菌细菌素抗菌潜力挖掘研究进展

易华西,张兰威,杜明,韩雪

(哈尔滨工业大学食品科学与工程学院中法乳联合实验室,哈尔滨150001)

摘要:乳酸菌产生的主要抗菌防腐物质是有机酸,但在乳酸菌代谢产物中发现了细菌素等其它抗菌物质,其中有的细菌素甚至具有强烈的抗真菌能力。世界范围内启动的乳酸菌基因组计划创造了巨大的生物信息流。乳酸菌基因组蕴含的生物信息将对研究乳酸菌细菌素的合成代谢途径,功能基因挖掘以及新型抗菌剂的开发搭建信息平台。结合乳酸菌细菌素的最新研究进展,讨论利用乳酸菌基因组探索乳酸菌的抗菌潜力及其作为生物防腐剂在食品保藏中的应用前景。

关键词:生物防腐剂;乳酸菌;抗菌物质;细菌素

中图分类号:TS20113文献标识码:A文章编号:1006-2513(2010)01-0073-04

Recent advance on the potential anti m icrobial activity

of bacteri oci ns produced by LAB

Y I Hua-x,i ZHANG Lan-w e,i DU M i n g,HAN X ue

(S i n o-France Dairy Jo int Laboratory ofH arbin I nstitute o fTechno logy,H ar b i n150001)

Ab stract:T he m a j o r an ti m icrob i a l and biopreservative s ubstance produced by LA B i s organic ac i d;how ev er,som e LA B produce add i tiona l anti m icrobia l compounds.Among these,the bac terioc i ns have de m onstrated great potenti a l as food preservati ves.A tre m endous fl ow o f i nforma ti on has been created through various genome sequenc i ng pro jects wor l dw i de.T he i n f o r m ati on obta i ned fro m genom ics w ill prov ide anew platf o r m for i dentifi ca tion of pat hw ays for the bac-ter i oc i ns producti on,g eno m e m i n i ng and deve l op m ent of ne w anti m icrob i a l agents.Explorati on o f anti m icrob i a l po ten-tial i n LAB by geno m ics was also d i scussed i n t h is rev i ew.

K ey w ords:LAB genom e;LA B;an ti m icrob i a l compounds;bacter i oc i ns

食品防腐剂是食品添加剂的重要成员之一。随着人们对食品安全意识的提高,生物防腐剂比化学防腐剂有更广阔的发展前景。发酵食品是全球食品中不可缺少的重要组成部分。食品发酵生产的成功在很大程度上与发酵剂产生的抗菌代谢产物有关,对发酵剂的抗菌能力也有很大的贡献[1]。细菌素(B acteriocins)是这类代谢产物中的典型代表。细菌素是核糖体合成的抗菌肽,包括乳酸菌(LAB,lactic acid bacteria)在内的很多食品工业生产菌株都具有分泌细菌素的能力。与此同时,也发现并鉴定了一些不同于细菌素的抗菌物质,其中有的物质具有强烈的抗真菌能力[2]。乳酸菌是目前世界公认安全的食品级微生物,它们产生的抗菌物质也是安全的,可作为天然的食品防腐剂直接应用于食品工业,因此乳酸菌抗菌能力的挖掘和开发受到了国内外食品保鲜

收稿日期:2009-05-15

基金项目:科技部/8630资助项目(2007AA10Z354)。

作者简介:易华西(1976-):男,讲师;研究方向:乳品微生物。

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学家的极大关注[3]。以法国科学家为首启动的乳酸菌基因组计划创造了巨大的生物信息流。乳酸菌基因组为研究抗菌物质的合成代谢途径和相关功能基因奠定了基础,为全面深入研究乳酸菌的抗菌特性、抗菌机理以及抗菌潜力的挖掘搭建了信息平台。

1乳酸菌产生的细菌素

细菌素这个术语最初用于描述大肠杆菌素的抗菌蛋白类物质,现在已广泛用于定义大量核糖体合成的抗菌物质。乳酸菌产生的细菌素对病原菌和食品腐败菌具有很强的抑制能力。它们在乳酸菌代谢产物中广泛存在,具有相对固定的抗菌谱(包括L isteria,C lostridium和革兰氏阳性细菌等)。在这类物质中,分子量小、热稳定好的细菌素被公认在食品保藏最具有开发和应用前景。基于是否含有修饰性氨基酸,细菌素分为两大类:第Ñ类包括lantibiotics,通过形成脱水氨基酸、羊毛硫氨酸和B-甲基羊毛硫氨酸等稀有氨基酸完成一系列翻译后酶学修饰;第Ò类包括Ped i o c i n等小分子热稳定性好的非修饰抗菌肽[4]。

对第一类和第二类细菌素的构效关系进行了大量研究。N isin是最引人注目的lanti b iotics类细菌素,由34个氨基酸组成,其立体结构为一个羊毛硫氨酸环和四个B-甲基羊毛硫氨酸环组成的五环结构。近年来对nisin的抗菌机理进行了深入研究,并在n isin和受体L i p i dÒ之间的反应机理研究取得了突破性进展[5]。多位点突变分析揭示位于靠近N端的环状结构与L i p idÒ之间的粘附能力密切相关,而柔性较强的中部区域则影响N isi n在靶细胞的细胞膜形成孔洞[6]。关于第二类细菌素,大量工作集中于pediocin族细菌素的研究,构成了第二类细菌素的最大亚组。Pedioci n 的三维结构研究发现,其N端中部形成独特的YGNGVXCXXXXCXV氨基酸序列,C端A螺旋则与其抗菌活性密切相关[7]。有趣的是leucocin A (一种类似Pedioci n的细菌素)的抗菌活力依赖于反应的立体专一性,暗示了Pediocin类细菌素和N isi n一样也是和靶细胞的特殊受体分子反应,有研究报道验证了这个猜测[8]。

对细菌素的构效关系研究,立足于期望通过推理模拟,设计出广谱、高效的新型细菌素。尽管相关理论和技术手段不断发展更新,但很多预期目标研究进展缓慢。目前在工业应用上仍然寄希望于发现具有预期抗菌特性和靶细胞专一性的新型细菌素。

2乳酸菌细菌素的基因挖掘

根据生物多样性和进化论观点,每种乳酸菌至少产生一种细菌素,目前报道的仅仅是少数,很难全部发现和鉴定它们,但是它们的确存在[9]。现在探测新型细菌素仍然依赖功能性测定,假设筛选的微生物能够产生抑制指示菌的细菌素。这种方法的主要缺陷是菌株产生细菌素具有遗传不稳定性。对于这种不稳定性,我们一直认为是转化过程中的质粒丢失或基因失活等原因所致。但是研究发现事实并不如此简单,可能还涉及到另外一种复杂的调控机制。Lactobacill u s sakei生产sakacin A的调控机理为这个推测提供了佐证。sakac i n A的转录调控受群感效应(Quo-rum-sensi n g)所控制,而群感效应又受控于一个特殊的三组分单转换系统。这个复杂的调控系统受自身温度和其它环境因素的影响[10]。因此,如何控制最佳的细菌素生产条件是目前使用的细菌素筛选模型面临的主要障碍之一。

目前获得抗菌肽的技术手段包括人工合成肽;克隆基因体内转录、翻译,体外表达;优化生长条件来诱导生产抗菌肽等。基因组序列可能在新型高效的细菌素鉴定中扮演重要角色。随着乳酸菌基因组的解读,部分细菌素遗传位点的DNA序列已经确定,并且已经从多方面揭示了编码第一类细菌素和第二类细菌素基因的结构和性质。虽然研究发现不同细菌素的遗传位点常常具有不同的结构,但仍然具有某些普遍性的保守性结构特征[11]。联合这些保守结构和基因序列提供的生物信息,能够使细菌素基因挖掘更具有针对性。细菌素结构基因通常编码抗菌肽的前体,加工和分泌一般依赖于一个特定的转运系统。这个特定的转运系统的作用对象是一类结构相对简单的特异性前导肽,其中有一种前导肽与n isi n和其它lanti b i o tics类细菌素的合成代谢有关[12]。这种类型的前导肽能够被专一的丝氨酸蛋白酶裂解,

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