细菌素的研究与应用进展
2017-11-01张隽娴李静樊铭勇
张隽娴 李静 樊铭勇
摘要:指出了细菌素是由细菌通过核糖体途径合成的蛋白类抗菌物质,细菌素作为无抗药性、无残留、杀菌快的抗菌肽,同时还兼有低成本、生产快等特点,具备传统抗生素无法比拟的优势。综述了细菌素的概念、生物学特性、常见类型、作用机理和应用研究。提出了随着抗生素耐药性弊端的日益凸显,细菌素将在人类健康、食品以及生物防治领域展现巨大的应用潜力。
关键词:细菌素;乳酸菌;芽胞杆菌;作用机理;应用
中图分类号:R9
文献标识码:A文章编号:16749944(2017)18007405
1引言
长期以来化学防腐剂在食品及生物防腐中居于主要地位。随着科技的发展和人们对食品安全重视度的提高,化学防腐剂的弊端日益凸顯。王杉等研究发现有些合成化学防腐剂具有潜在的致癌致畸性,因而化学防腐剂的应用受到诸多限制。我国卫生部于2012年撤销了乙萘酚等6种食品防腐剂。因此,寻找安全高效的新型防腐剂是食品及饲料等防腐剂开发的必然选择。抗生素对于临床治疗和生物防治具有重要的意义,然而近年来抗生素的过度使用和抗性菌株的产生,使人类健康面临巨大的挑战和威胁,同时抗生素的残留也成为了出口贸易的瓶颈。据报道,人大肠杆菌中约有一半具有耐药性,动物大肠杆菌中绝大多数都具有;甚至有些细菌已由单一耐药变成多重耐药,很多没有直接接触抗生素的生物体内同样也发现含有耐药性质粒。因此全世界人们开始广泛关注,呼吁减少抗生素使用,寻找抗生素代替物刻不容缓。而细菌素作为一种无抗药性、无残留、杀菌快的天然蛋白类抗菌剂,同时还具有低成本、生产快等特点,具备抗生素无法比拟的优势。近年来越来越多国内外学者致力于细菌素类天然防腐剂的研发,细菌素将在人类健康、食品防腐和生物防治领域发挥巨大的作用。
2细菌素概述
2.1细菌素的定义
Gratia等人于1946年提出大肠杆 菌素(Colicin)的概念,这是研究史上发现的第一种细菌素。但细菌素这一概念却产生于7年之后,根据Colicin的抑菌特性,Jacob认为细菌素是细菌在代谢过程中产生 的抗菌肽,一般作用于相近亲缘的微生物。
随着研究的不断发展,细菌素的定义也不断完善,目前学术界普遍认为细菌素是由细菌核糖体合成的蛋白类抗菌物质,属于抗菌肽,抑菌范围可宽可窄。判断细菌素的标准在于是否是蛋白类物质以及是否具有自身免疫性。革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都可以产生细菌素,甚至古细菌也可以。资料显示99%的细菌都能产生一种或者多种细菌素,说明自然界细菌素资源非常丰富。有的细菌分泌的蛋白类抗菌物质没有完全得到了解,广义上也被归为细菌素或者细菌素类似物。
2.2细菌素与抗生素的区别
抗生素是非基因编码,不由核糖体合成,通常是由酶系复合物直接连接指定氨基酸而合成的次级代谢产物,可以杀死有害菌也可以杀死益生菌。而细菌素是由基因控制,核糖体形成的多肽类物质,具备免疫原性,不诱发抗性菌株。两者易被混淆,主要区别见表1。
2.3细菌素的分类
常见的细菌素比如乳酸链球菌素、大肠杆菌素等都是以产生菌作为命名和分类原则。随着细菌素研究的发展,其分类方法也从最初的按来源分类发展至以结构功能作为分类标准。目前学术界普遍认为将细菌素分为四类。
第一类细菌素分子量通常低于5 kDa,含有19~50个氨基酸,耐热,含有羊毛硫氨酸或者甲基羊毛硫氨酸,故称为羊毛硫胺类细菌素。它们可带电荷或不带电荷,最典型的代表是nisin和subtilin。
第二类非羊毛硫胺类细菌素,为小分子多肽或蛋白质,分子量一般小于10 kDa,热稳定性较好,通常对李斯特菌具有特异抗性,按照结构不同被分为3个亚类。谢燕等通过基因搜索手段发现二类细菌素一般由37~48个氨基酸残基构成,而且具有类似的氨基酸序列,可以作为二类细菌素的判断标准。典型代表有戊糖片球菌素05-10。
第三类细菌素是分子量较大(>30 kDa)、热稳定性较差的蛋白质,如乳酸菌细菌素lactacin B。
第四类细菌素由蛋白基团和其他特定的基团比如磷脂、脂肪酸链等共同构成,这些特殊基团通常是细菌素的活性部位,如肠膜明串珠菌产细菌素leuconocin S。
目前发现的细菌素大多属于第一、二类,分别有20和100多种,关于其他两类的结构和功能则知之甚少。部分学者认为为了方便起见可以直接将细菌素以羊毛硫胺类和非羊毛硫胺类进行分类。
3常见细菌素
3.1乳酸菌细菌素
近年来新发现的细菌素越来越多,其中研究最为透彻的是乳酸菌产生的细菌素(表2),统称为乳酸菌素。乳酸菌素具有自身免疫性,可以竞争性抑制亲缘关系近的菌株,如nisin可以抑制某些其他乳酸菌,同时可以杀死多数革兰氏阳性致病菌。Nisin是首个用作天然食品防腐剂的细菌素,其高效、无毒,热稳定性好,且对胃蛋白酶不敏感,不会产生耐药性。基于nisin的众多优良特性,它已广泛应用于食品添加剂、益生菌、制药、生物农业等领域,应用范围广至全球50多个国家和地区。
很多乳酸菌都可以产生乳酸菌素,它们根据分子量、热稳定性和结构等特点被分为四类,也可以根据产生菌分为六类。目前乳酸菌素的研究方向主要集中于利用基因工程和蛋白质工程手段高效表达nisin,同时开发更多安全高效的天然防腐剂。如明串珠菌可以产生细菌素leucocin A,研究尝试将其应用于肉制品中防止米酒乳杆菌的繁殖。刘丽等从肉制品中分离到一株戊糖片球菌,产生的片球菌素对单增李斯特菌具有良好的杀灭作用。婴儿双歧杆菌14602产生的细菌素较之于nisin具有更加广泛的抑菌谱和pH适应性,可以很好地补充nisin的不足。
3.2芽胞杆菌细菌素
芽胞杆菌是十分重要的商业用菌株,它们可以产生丰富的有用代谢产物,广泛应用于食品、医疗和生物领域。研究发现枯草芽胞杆菌、解淀粉芽胞杆菌等大多数芽胞杆菌都可以产生一种或多种细菌素,包括脂肽类、肽类和磷脂类。endprint
3.2.1枯草芽胞杆菌细菌素
枯草芽胞杆菌是公认的益生菌,能够产生多种抗菌物质,目前已报道的就有20种,统称为枯草杆菌素(subtilin)。中药中的枯草芽胞杆菌LFB112,对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌等各种食品腐败菌都具有良好的杀灭作用。枯草芽胞杆菌Nxc6分泌一种性质优异的细菌素,pH作用范围较宽,热稳定性好,对细菌和一些真菌都具有明显的抗性。张晓云从土壤中分离得到一株枯草芽胞杆菌,产生的细菌素分子量约为66 KDa,同时还分泌多种脂肽,具有巨大的生防应用潜力。
3.2.2苏云金芽胞杆菌细菌素
苏云金芽胞杆菌可以产生丰富的抑菌物质,杀死多种害虫,在农业方面的应用已经十分成熟。杨婧从土壤中分离得到一株苏云金芽胞杆菌,产生的细菌素对常见植物病原菌具有毒杀作用,同时还产生丰富的淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等有用代谢物,具有很高的商业应用价值。
国外研究者从植物根际中分离得到一株苏云金芽胞杆菌,发现可以产生一种新型的细菌素,将其命名为thuricin 17。Bacthuricin F4是研究者于2005年发现并命名的苏云金芽胞杆菌素,为小分子多肽,对蛋白酶敏感,对芽胞杆菌具有强烈的抑制作用,但对革兰氏阴性菌几乎没有作用。另外一种新型的苏云金芽胞杆菌素thuricin S发现于2007年,经鉴定分子量为3137 Da,与Bacthuricin F4相似,具有良好的热稳定性和单增李斯特菌抗性。通过比较发现thuricin 17和thuricin S 以及Bacthuricin F4具有完全相同的N端序列(DWTXWSXL),说明它们同属于第二类细菌素。此外还有大量的苏云金芽胞杆菌素如Tochicin和entomocin110等,不再一一介绍。
3.2.3地衣芽胞杆菌细菌素
Martirani等分离得到一种嗜温性地衣芽胞杆菌产生的新型细菌素bacillocin490,分子量为2 KDa,稳定非常好,并且可以在牛奶中发挥抗菌作用,应用于高温高酸性食品。从待产妇阴道中分离的地衣芽胞杆菌可以分泌细菌素,具有调节微生态平衡的作用,可以用于治疗肠道疾病。地衣芽胞杆菌189来自于温泉环境中,50℃时分泌细菌素,分子量为3249.7 Da,可以强烈抑制很多革兰氏阳性菌,其优异的耐热性能而具有广阔的应用前景。
3.2.4蜡样芽胞杆菌细菌素
蜡样芽胞杆菌部分菌株具有致病性,可导致食物中毒。但无毒蜡样芽胞杆菌大都具有丰富的应用价值,可以产生各种细菌素、蛋白酶等有用代谢产物。它们通常是一些蔬菜、作物及树木的内生菌,可以和植物建立互惠互利的共生关系,对生物防治具有重要意义。分离自巴西林地土壤的蜡样芽胞杆菌8A产细菌素cerein8A,可以广泛抑制常见致病菌。张立娜从酱渣中分离得到一株产抗菌物质的蜡样芽胞杆菌B,经鉴定发现抗菌物质为细菌素,对大肠杆菌具有较好的抑制作用。
3.2.5解淀粉芽胞杆菌细菌素
解淀粉芽胞杆菌模式菌株B.amyloliquefaciens FZB42由美国开发,它可以产生多种细菌素,目前已经作为商品化益生菌应用于不同的领域。邓建良从果园土壤中分离得到可产多种抗菌素的解淀粉芽胞杆菌YN-1,经提取鉴定确定为脂肽类抗菌肽,属于第四类细菌素。分离自于巴西大西洋森林的解淀粉芽胞杆菌LBM5006产生的细菌素可以广泛抑制常见致病菌,而且具有较宽的pH适应范围和良好的热稳定性,应用前景良好。胥丽娜从杨树内生菌中筛选到一株解淀粉芽胞杆菌,其分泌的阳离子细菌素对引起杨树水泡溃疡病的葡萄座腔菌具有强烈的抑制作用。解淀粉芽胞杆菌GA1可以产生不止一种抗菌肽,对其遗传物质进行研究发现含有很多芽胞杆菌属细菌素同源基因片段。
3.2.6其他芽胞杆菌细菌素
凝结芽胞杆菌可以作为益生菌广泛应用,也叫有孢子性乳酸菌。它是肠道中的益生菌,分泌的抗菌物质可以抑制肠道有害菌,可用于婴儿湿疹治疗。
于婷等对短小芽胞杆菌BSH-4产抗菌肽进行研究,发现具有良好的热稳定性、紫外线稳定性,对常见蔬菜病原真菌具有很好的杀灭作用,可以应用于蔬菜疾病防治。
从韩国泡菜中分离得到一株短芽胞杆菌,产生的细菌素可以抗炭疽杆菌、沙门氏菌,并且耐热耐酸碱,具有重要的应用价值。
多粘芽胞杆菌作为安全的工业应用型菌种,无需进行安全鉴定。现已商业化的生防菌株多粘类芽胞杆菌HY96-2可以产生一种具有广谱抗菌活性的细菌素,对15种植物病原菌都具有良好的抑制作用。
4细菌素作用机理
大部分研究都认为细菌素是通过破坏细菌的细胞膜,导致细胞破裂和内容物外泄进而杀死细胞。革兰氏阴性菌分泌的细菌素对指示菌膜的吸附具有特异性,需要一定的受体介导,而革兰氏阳性菌分泌的细菌素对指示菌膜的吸附则相对较弱。无论哪种类型的细菌素都是通过在敏感菌细胞膜上形成通道,从而导致内容物渗漏而使细胞死亡。早期关于通道形成的解释有“桶板”和“地毯”两种理论。“桶板”理论认为抗菌肽起初由于静电作用吸附至菌膜,然后抗菌肽疏水的一端插入膜内,当很多分子聚在一起形成“桶”状结构,它们的疏水端就和细胞膜磷脂分子结合形成离子通道,破坏电势,引起内容物泄露,从而达到抑菌效果。“地毯”理论则认为有的抗菌肽可直接与磷脂双分子层结合,扰乱其秩序,影响细胞膜的正常功能,从而导致细胞死亡。有研究者提出第三种解释,认为有的抗菌肽会影响细胞膜外某些蛋白的转录,从而导致这些必须蛋白的缺失,引起细胞膜孔道形成。
关于nisin的抑菌机理报道不一,一种说法认为在膜电位存在的条件下,nisin通过和磷脂双分子层结合使细胞膜形成穿孔,从而引起细胞死亡,因此nisin属于能量依赖性细菌素,这种说法符合传统的“桶板”理论。另外一种说法认为由于nisin和磷脂雙分子层结合可以导致细胞壁合成受阻,进而破坏细胞生长繁殖。研究发现nisin对金黄色葡萄球菌的抑制作用即采用吸附于细胞膜上进而损坏细胞膜完整性的途径来实现。endprint
也有其他研究者认为有的细菌素如Thanatin的杀菌机理还包括对敏感菌细胞呼吸作用的抑制,但具体抑制呼吸作用的哪一步仍有待研究。
除了杀菌作用以外,细菌素还具有抵抗肿瘤、病毒和寄生虫等多重功能。细菌素抗肿瘤的机制可能是因为癌细胞是带有负电荷的,而大多数细菌素为阳离子多肽,因此十分利于抵抗肿瘤。
5细菌素的应用
5.1在人类健康中的应用
抗生素滥用导致越来越多的临床抗性菌株,甚至还发现专嗜抗生素的病原菌。将细菌素作为抗生素替代品在临床具有广阔的应用前景。目前已有一些国外企业将抗菌肽制成药品,开始临床试验阶段。例如抗菌肽iseganan被应用于口腔黏膜炎治疗,三期临床试验已完成。研究表明多种细菌素已在大肠杆菌工程菌中大量表达为后期研究和应用提供基础。比如细菌素pexiganan对糖尿病治疗表现出一定潜力,目前处于临床试验阶段。有些芽胞杆菌细菌素甚至对抗生素耐性病原菌具有明显作用,可以用于解决耐药性问题,具有潜在的应用价值。常见细菌素subtilosin可以杀灭阴道加德纳菌,有望用于临床发挥治疗作用。类细菌素由于可以有效抗口腔厌氧微生物而用于口腔医学研究。类似于生防菌株在畜牧业中的应用,有的芽胞杆菌也可以作为益生菌应用于临床。
5.2农业中的应用
细菌素在畜牧业中的应用十分多见。大肠杆菌素Microcin可以减少鸡肠道内鼠伤寒沙门氏菌。大肠杆菌素colicin E能对牛瘤胃中的有害菌进行杀灭,如对大肠杆菌O157:H7起到有效的抵抗作用。反之研究者也可以从成年牛体内分离到具有抗菌作用的大肠杆菌菌株,肠道细菌与动物建立了互利共生的和谐关系。
除了大肠杆菌素,芽胞杆菌产生的丰富细菌素也不乏畜牧业应用的实例。将枯草芽胞杆菌混合饲料用于比目鱼喂养时可以有效降低致病菌感染率。解淀粉芽胞杆菌产细菌素906在动物饲料中也表现出明显的抗致病菌功能,还有其他解淀粉芽胞杆菌细菌素也可以作为益生菌用于家禽肠道致病菌防治。地衣芽胞杆菌细菌素同大肠杆菌素一样,可以作为益生菌产物作用于母牛瘤胃。
芽胞杆菌细菌素在农作物方面的应用也十分多见。很多功能性芽胞杆菌本身分离自于植物,它们常常作为植物内生菌与植物体和谐共存。目前细菌素最主要和最成熟的应用即为植物病原菌防治。解淀粉芽胞杆菌X-278分泌的类细菌素可以有效防治棉花黄萎病,同时也能够杀死多种病原菌(黎波,2013)。周鑫钰(2012)从茄科植物茎秆中分离得到有效抑制青枯罗尔氏菌的解淀粉芽胞杆菌。很多学者对筛选优良性质的芽胞杆菌作为功能性生物肥料表现出浓厚的兴趣,周晨光等(2014)将解淀粉芽胞杆菌应用于茶叶种植,发现茶叶的质量和产率都得到显著提高。
5.3食品中的应用
细菌素发现的种类很多,目前只有少量在食品领域中得到应用(谢燕等,2011),最常见的是nisin和pediocinPA-1/AcH,均由乳酸菌产生。Nisin的商品通常为Nisaplin(尼萨普林),是nisin和氯化钠的混合制剂。Nisin由于其安全、高效的特性已被50多个国家和地区广泛认可(田召芳等,2003)。最为大众所熟悉的是Nisin在干酪、奶酪、奶油、巴氏灭菌奶等奶制品中的防腐应用,可以大幅延长保质期,并且保证风味不变。当nisin用于罐装蔬菜防腐时,能够有效抑制腐败菌,同时大大降低盐分从而改善口感,效果明显优于化学防腐剂(王凤芹等,2010)。同时也有文献报道nisin在啤酒、葡萄酒等酒精饮料中的应用。
乳酸菌资源丰富,但除了nisin其他乳酸菌素的在食品中的应用较少。乳酸菌sakacin1产细菌素曾用于抑制肉制品中常见的单增李斯特菌。研究发现片球菌素05-10具有优良的理化性质和高效的活性,可以用于猪肉火腿中李斯特菌的防治。
常见的芽胞杆菌细菌素目前大都应用于生物防治领域,鲜有在食品防腐中应用的报道。但是由于它们通常都具有优良的性质,所以对于食品保鲜应用具有巨大的潜能。芽胞杆菌细菌素490对牛奶在各种条件下的储藏都显示出高效的防腐效果(Martirani et al.,2002)。时威等(2011)将解淀粉芽胞杆菌发酵液用于冷鲜肉防腐,发现效果明显优于nisin,可以很好的抑制单增李斯特菌和假单胞菌。
6展望
近半个世纪以来,由于抗生素对病原菌的显著疗效而导致其滥用,致使耐药性菌株对人类健康的威胁日益加剧。开发安全高效的防腐剂刻不容缓。Nisin作为典型的细菌素,是目前研究和应用最为广泛的天然食品防腐剂,为全世界普遍公认。然而由于溶解度和稳定性对pH的苛刻要求,nisin的应用依然存在较大的局限性。不断升级的应用需求对细菌素等新型防腐剂的理化性质提出了更为严格的要求。此外,细菌素等安全性高的天然防腐剂产量往往很低,制约了其深入研究和广泛应用。细菌素作为安全高效抗菌剂的良好资源,在食品防腐、人类疾病防治和生物防治等领域展现出巨大的应用潜力,其开发和应用之路任重而道远。
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