芽孢杆菌产环脂肽类化合物结构与生物合成机制研究进展

郑 维， 权春善，赵 晶， 许永斌

(大连民族大学 生命科学学院 国家民委教育部重点实验室， 辽宁 大连 116600)

芽孢杆菌产环脂肽类化合物结构与生物合成机制研究进展

郑 维， 权春善*，赵 晶， 许永斌

(大连民族大学 生命科学学院 国家民委教育部重点实验室， 辽宁 大连 116600)

芽孢杆菌产环脂肽类化合物结构多样，具有较强的抗菌活性，在农业和食品等应用广泛。近年来发现部分环脂肽具有拮抗人体病原菌及抗肿瘤等的药用价值。本文对芽孢杆菌产环脂肽类化合物的生物功能、结构和生物合成机制的研究进展做一总结。

环脂肽 ； 芽孢杆菌； 结构 ；生物合成

芽孢杆菌属(Bacillus)革兰氏阳性杆菌，在自然界分布广泛，可以分泌多种环脂肽类化合物。其中部分环脂肽类物质具有较好的抗菌活性物质，比如表面活性素(Surfactin)、伊枯草菌素(Iturin)和丰源素(fengycin)等)[1]。这些环脂肽类化合物主要由肽段和脂肪酸链组成环状结构，在芽孢杆菌内通过非核糖体途径合成，作为次级代谢产物排出菌体体外。这类物质分子量较低，现有研究表明，环脂肽类物质主要具有抗菌、抗炎、抗病毒、抗肿瘤等生物学功能。本文主要对芽孢杆菌产生的肽类抗生素的生物活性、结构以及及其生物合成研究成果进行了综述，同时对这些肽类抗生素的生产及开发进行展望。

1 环脂肽的生物学功能

芽孢杆菌所产生的不同化学结构的环脂肽具有多样化的功能。以往的研究结果集中于环脂肽在拮抗植物病原菌中所具有的重要作用。近年来，科学家在环脂肽研究的相关工作中发现，一些芽孢杆菌产生的环脂肽类物质具有抗人体病原菌和抗肿瘤等作用[2-4]。来源于Bacillus velezensis H3的Surfactin异构体可以抑制金黄色葡萄球菌、分枝杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌和白色念珠菌等病原菌[5]。从枯草芽孢杆菌SSE4的培养液中分离到一种新的脂肽类抗生素subtulene A，可以有效拮抗革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌，其中包括人类病原体如嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)，阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)，其中阴沟肠杆菌是院内感染的严重的耐药病原体[6]。稀有海洋芽孢杆菌菌株产生的Fengycin异构体的活性物质可以有效抑制微球菌、大肠杆菌、枸橼酸杆菌，粪肠球菌和粘质沙雷氏菌等[7]。从内生解淀粉芽孢杆菌ES-2培养液中分离得到的Fengycin和Surfactin脂肽具有强烈抑制革兰氏阳性细菌生长以及除了人苍白杆菌(Ochrobactrum anthropic)外所有的革兰氏阴性细菌[8]。伊枯草菌素和丰源素的在抗植物病原真菌中显示了良好的活性[9]。因为环脂肽的表面活性剂效果，脂肽表面活性剂可诱导人红细胞溶血，可以使用脂肽表面活性剂作为纤维蛋白凝块形成的强效抑制剂。Bernheimer和Avigad证明由枯草芽孢杆菌来源的枯草溶菌素具有可以使纤维蛋白形成凝块，并抑制作用红细胞溶血等作用[10]。Arima等人首次探讨了表面活性剂是通过抑制纤维蛋白单体转化为纤维蛋白聚合物纤维蛋白凝块形成抑制剂[11]。Aranda等学者研究了抗菌脂肽Iturin的有效溶血活性，得到了使人体红细胞溶血的伊枯草菌素最低剂量浓度[12]。近些年来也有研究表明，环脂肽类物质同样具有抗肿瘤活性。Hajare S N等人从解淀粉芽孢杆菌菌株的次级代谢产物中分离出了一种环脂肽，经过研究发现，对肺腺癌细胞，肾癌细胞和结肠腺癌细胞3种癌细胞具有不同程度的杀伤作用。

2 肽类抗生素的结构特征

芽孢杆菌同一株菌可以同时产生多种环脂肽的异构体。环脂肽的合成包括含亲水的肽键的多肽部分和亲油的脂肪烃链两部分组成。表面活性素Surfactins、伊枯草菌素(Iiturin)、抗霉枯草菌素(Mycosubtilin)、杆菌抗霉素(Bacillomycin)、Bacillopeptins结构中的脂肪酸链直接参与肽环形成的化合物，丰原素 (Fengycin)和制磷脂素(Plipastatin)的脂肪酸链不参与肽环形成。芽孢杆菌产生的各种脂肽化合物异构体取决于多肽的氨基酸残基序列和环化方式的不同，以及脂肪酸链的长度和结构区别等因素。肽段大约是由十肽环构成，同时还带有一个氨基酸尾链，肽段中的氨基酸通常由必须氨基酸或非必须氨基酸组成，其中非必须氨基酸中包括D型氨基酸和羟基氨基酸或N-甲基氨基酸。因此，非核糖体多肽结构多样化，也具有了重要的生物活性[13]。

3 多肽抗生素的生物合成

微生物产生的环脂肽化学结构比较丰富。在过去的十年间，研究人员对于环脂肽的生物合成机制和基因调控系统进行了广泛的研究。环脂肽是由非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase，NRPS)复合体以非核糖体多肽的方式催化合成。NRPSs是多模块酶识别，每个模块允许在一个特定的肽部分氨基酸的掺入，从而激活，修饰和链接氨基酸中间体到产生的肽[13-14]。典型的模块域包括以下四个部分：腺苷化结构域(amino acid activating domain, A)、巯基化功能域 (T)、缩合功能域 (condensation domain, C)和硫酯酶结构域(thioesterase domain, TE)。此外还有一些非核糖体肽合酶上还包括环化域(cyclization domain, Cy)、甲基转移酶域(methyltransferase domain, MT)、差向异构化域(epimerization domain, Er)等。合成酶在模块上有效分步，其上的每个模块依次将相应氨基酸组合到多肽链中。所以非核糖体多肽化合物的结构多样化往往伴随着重要的生物学活性[13]。

3.1 肽段的生物合成

多肽部分是由非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase，NRPS)复合体以非核糖体多肽的方式合成[13]。合成酶在模块上有效分步，其上的每个模块依次将相应氨基酸组合到多肽链中[13]。

多肽合成的过程如下：具有氨基酸激活功能的A结构域从底物中选择结合特定的氨基酸，由底物氨基酸的腺苷酸反应激活转化为氨酰腺苷酸。然后氨酰酰苷酸与T结构域的磷酸泛酰巯基辅基的巯基以共价方式结合形成硫酯键，组成后的氨酰-S-载体复合体上的氨基与C结构域的肽酰基的酰基进行亲核反应，形成新肽键。从而延长了一个氨基酸的肽酰载体复合物进入下一个肽酰形成的反应。最终，在完成肽链的延伸后，TE域终止合成肽链，将肽链释放下来，并进行环化。

3.2 脂质体部分的生物合成

脂肽脂质部分的生物合成是由数个模块耦合来完成，对肽链的脂肪酸键进行活化。Duitman等学者将其归纳为五个步骤[15]，首先，域的酰基辅酶A连接酶(Al)耦合的辅酶A脂肪酸。活性脂肪酸后，转移到第一个域的酰基载体蛋白辅因子4-phosphopantethein(ACP)。同时，一个丙二酰辅酶A固定到ACP2域。丙二酰基硫酯的催化酮的缩合(KS)合成酶结构域导致一酮酯的形成。酮酯转化为氨基酸的转氨基脂肪酸。氨基脂肪酸可以通过缩合结构域转移到硫醚化域。它可以连接到一个氨基转移酶的固定肽部分的氨基酸生物合成的第一个模块。最终实现合成、脂肽可修改特定酶的糖基化或卤化的合成酶相关。

4 展望

近年来全基因组测序技术的快速发展，芽孢杆菌全基因组测序逐渐完成，随着已知和潜在的功能基因得以发现。采用基因敲除、基因随机突变和定位突变等方法，对突变菌株进行筛选，相关基因被克隆、分析，脂肽类抗生素合成途径和调控方式已经解明。利用合成生物学和组合生物学的理论和方法对芽孢杆菌产生的脂肽类物质进行分析和表达，为发现更多潜在的天然新型环脂肽类化合物的发现打开了崭新的局面，从而更加提高了芽孢杆菌在工业上的应用范围。

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(本文文献格式：郑 维， 权春善，赵 晶，等.芽孢杆菌产环脂肽类化合物结构与生物合成机制研究进展[J].山东化工，2016，45(08)：51-52，54.)

Research Progress on the Structure and Biosynthetic Mechanism of Lipopeptides by Bacillus

Zheng Wei, Quan Chunshan*, Zhao Jing, Xu Yongbin

(College of Life Science, Key Laboratory of the State Ethnic Affairs Commission-Ministry of Education, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Lipopeptides which are produced by Bacillus showed structure various, and strong antibacterial activity in the agriculture and food is widely used in many fields. Lipopeptide have been proven that they had bioactivities, such as antibacterial, antithrombin and antitumor, etc. in recent years. This paper reviewed the research progress in structure and biosynthetic of the lipopeptides which are produced by Bacillus.

lipopeptide; Bacillus; structure; biosynthesis

2016-03-07

中央高校基本科研业务费( DC13010312)

郑 维(1978—)，女，辽宁大连人， 工程师，硕士， 研究方向: 微生物；通讯作者: 权春善( 1973—)，女，黑龙江佳木斯人，大连民族大学 生命科学学院教授，博士．研究方向: 微生物。

Q936；S476

A

1008-021X(2016)08-0051-02