乳酸菌抗噬菌体侵染作用的研究

赵鹏昊 刘红玉

摘  要：噬菌体是一类具有高度特异性的细胞传染因子，通常广泛滋生于各类环境中，由其侵染作用导致的发酵剂失效问题使食品行业损失巨大。为应对这一问题，该文整理了国内外有关乳酸菌抵抗噬菌体机制的最新研究成果，包括乳酸菌中的CRISPR-Cas防御机制及相变限制性修饰系统的作用方式，随后介绍了部分乳酸菌与噬菌体发生表面接触时的作用机理。最后，基于上述理论，该文整理了2种可以有效控制乳酸菌发酵过程中噬菌体污染的应对措施，以供参考。

关键词：乳酸菌;噬菌体防控;表面互作

中图分类号：Q93                文献标志码：A

0 引言

食品工业中的乳制品发酵过程通常是在非无菌条件下大规模进行的，依靠相同的细菌培养物进行多批次连续发酵，在这一过程中，由裂解性噬菌体污染导致的发酵失败情况时有发生。为了解决这一问题，许多微生物领域的科研人员进行了大量的机理和应用性研究，笔者将对近几年的部分研究成果和几种应对手段进行简要介绍。

1 乳酸菌中的噬菌体防御机制

1.1 CRISPR-Cas外源遗传物沉默机制

CRISPR-Cas是存在于大多数细菌和古细菌中的一种抵抗外来DNA侵染的防御系统，作为一种后天免疫机制，该系统可以通过不同DNA的感染过程获取多重抗性。CRISPR-Cas系统具有多种分型，其一般的作用机制是将外源遗传物质作为间隔区整合到自身染色体的特定位置，利用这一遗传序列转录加工成小的非编码RNA，当相同的外源DNA再次出现时，RNA会与特定的Cas蛋白复合物共同作用于外来DNA，使其“沉默”，从而解除侵染威胁。

1.2 相变限制性修饰系统

限制性修饰系统是广泛存在于原核生物界的功能体系，它既能保护自身不受外来遗传物质的侵染，又能对自身遗传物质进行修饰加工。在近几年的研究中，有研究者发现，限制性修饰系统的类群中存在着一类具有相变功能的分支，这类限制性修饰系统有着更为强大的功能，他们能够通过相变作用产生多种基因重组，进而影响细胞的多种表型。通常一种菌株能携带多种特异性限制修饰功能，使细胞可以改变生理模式以应对不同的环境状况。象当菌体处于一种特殊的细胞状态下时，相变限制性修饰系统可以激活阻断噬菌体吸附作用的表型;在一个细菌群体中，多样修饰的个体占比达到70%以上时，可以表现出优于CRISPR系统的噬菌体抵抗作用，相比于CRISPR系统，相变限制修饰系统表现出了广谱性的噬菌体感染防御能力。

2 部分乳酸菌与对应噬菌体的表面相互作用

2.1 乳酸乳球菌

乳酸乳球菌噬菌体通常根据遗传学和形态学上的特点分为10个群体，其中936型、c2型和P335型是危害乳品工业的3个主要群体，近几年的研究使我们对这一类噬菌体的了解更加深入。通常我们认为乳酸菌噬菌体需要钙离子的帮助来感染和裂解宿主菌，借此研究人员通过引入磷酸盐来结合包括钙离子在内的二价阳离子，从而达到抑制噬菌体的活动效果，但这项研究被证明并不能彻底抑制乳酸菌噬菌体的活动。在Sciara等的研究中，一项关于936型噬菌体群感染过程的研究结果显示，钙离子的主要作用是作为启动噬菌体基座正确构象的激活剂;而在Veesler等人的研究中，c2型噬菌体群和P335型噬菌体群的多数种则不需要钙。

2.2 嗜热链球菌

根据遗传相似性比对的方法，Mills等人于2011年鉴定出了一种新的嗜热链球菌噬菌体，结合之前的研究，嗜热链球菌噬菌体的类型主要被划分为3类，即01205型噬菌体、7201型噬菌体和5093型噬菌体。早期已经有研究证明，嗜热链球菌噬菌体负责控制与宿主细胞表面发生特异性互作的部分由RBP基因编码，该基因由3个结构域组成，包括高度保守的氨基末端结构域、可能含有可变区（VR1）的中心域和含有特定可变区（VR2）的第3结构域，其中噬菌体—宿主互作主要与第三结构域相关，Jennifer等人通过同源重组的方法将嗜热链球菌与乳酸乳球菌第三结构域中的特定可变区进行了互换，结果发现2个不同噬菌体互换了宿主作用范围。

2.3 明串珠菌

关于明串珠菌噬菌体与宿主相互作用的研究相对较少，在这一领域我们采取的主要研究手段与乳酸乳球菌类似，依然是通过开发嵌合噬菌体来进行深入探究。Kot等人通过将明串珠菌噬菌体LN04的推定受体结合蛋白编码基因，与假丝酵母菌噬菌体P793的推定受体结合蛋白编码基因进行交换重组，改变其宿主范围，数据表明明串珠菌噬菌体对原宿主吸附率下降了85%，并发现了噬菌体中基板结构的相应变化。对于明串珠菌与宿主相互作用的已知事实仍然相对较少，有价值的噬菌体抗性系统信息开发仍需要进一步研究。

3 利用乳酸菌抗噬菌体侵染机制的防控手段

3.1 高应变抗性复合发酵剂

发酵乳制品在生产过程中经常出现严重的噬菌体污染问题，噬菌体侵染发酵剂导致發酵异常、产品不达标，直接造成经济损失。在发酵剂的研发领域，Spus与他的团队试图开发一种具有高应变抗性的复合发酵剂，他们尝试通过大量筛选适合作为产品发酵剂的乳酸菌，对筛选的菌株进行相应的谱系分析并观察其对噬菌体侵染作用的应答反应，最终获得了4株对噬菌体侵染过程有着较高抗性的菌株，利用4株乳酸菌各自的应变抗性开发出的复合发酵剂，在应对侵染中可以产生优势互补的作用，为进一步开发出噬菌体污染抗性发酵剂创造了条件。基于这一研究，开发能够高效发酵并可以有效防控噬菌体危害的发酵剂，可以作为一种易普及的手段应用于干酪等固态乳制品的生产环节中。

3.2 利用细胞碎片“捕捞”噬菌体的膜过滤手段

目前在乳品工业中，应对噬菌体污染时仍然以预防和消毒为主要手段，对于已经被污染的体系只能弃置隔离并彻底消毒灭菌，处理方法较为被动。但随着近几年膜技术的逐渐成熟，一些“另辟蹊径”的特殊方法进入人们的视线，Samtlebe与他的团队在2015年—2019年的研究中都致力于改进膜过滤手段，以此来处理污染乳清的乳酸乳球菌噬菌体，他们提出了一种新的思路，利用噬菌体侵染细菌前的吸附作用，在侵染细菌的吸附期将一些通过特殊破碎处理的细胞碎片投入混合体系，对噬菌体进行“钓鱼”，当噬菌体与细胞碎片充分结合后，再利用膜对这些特殊粒径的“咬住饵的鱼”进行“捕捞”，这样就实现了生产过程中对污染料液的滤菌处理。虽然这一研究成果目前主要应用于干酪副产物乳清中处理乳酸乳球菌噬菌体，但这一策略在控制食品工业中的微生物污染方面具有很大参考价值。

4 结语

随着噬菌体—宿主相互作用研究的不断推进，我们对噬菌体侵染细菌的机理愈发了解，根据侵染过程中的规律，许多设计巧妙的新型策略也逐渐涌现。噬菌体污染是广泛存在于食品行业中的问题之一，尤其是在与乳酸菌关系密切的发酵食品行业中，新的技术手段或许能成为我们化被动为主动的转机。

参考文献

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