詹森氏菌合成紫色杆菌素研究进展及应用

王 奕，宫春杰

(湖北工业大学 生物工程与食品学院，湖北 武汉 430068)

詹森氏菌(Janthinobacterium)属革兰氏阴性菌，在地球上广泛存在。该属细菌已经在各类生态环境中被筛选发现，如南极冰雪、寒冷的阿拉斯加、冰川湖、原始地下水和两栖动物的皮肤[1]。詹森氏菌属的细菌具有多种能量代谢能力，并且能承受寒冷、紫外线及其它极端环境压力。

能够合成紫色杆菌素(violacein)是詹森氏菌属的最常见特征，紫色杆菌素于19世纪初在色素杆菌(Chromobacteriumviolaceum)中被发现以来，相继在多种细菌内被发现报道。紫色杆菌素是一种由吲哚衍生的紫色色素，由数量有限的革兰氏阴性菌产生，如色素杆菌和詹森氏菌(Janthinobacteriumlividum)。近年来也有詹森氏菌属中部分产生其他色素和无色素细菌的报道，如从锡金喜马拉雅山冰川水样品中分离出的浅粉色菌株ERGS5：01，经16S rRNA基因序列鉴定属于詹森氏菌，但是缺乏典型的紫色色素生产能力[2]。不同的研究表明，紫色杆菌素具有多方面的生物活性，包括抗肿瘤作用、抗菌性、抗病毒性、抗原生动物活性、免疫调节和止痛等[3]。紫色杆菌素具有相当大的研究潜力，可能是开发临床有应用价值药物的一大资源[4]。

1 紫色杆菌素生物学功能

1.1 抗菌活性

科学家对紫色杆菌素的抗菌功能进行了研究，结果表明紫色杆菌素的粗提物对革兰氏阳性菌，如：典型致病菌金黄色葡萄球菌有明显抑制作用，对革兰氏阴性菌则抑制作用较小，使用纯紫色杆菌素和纯提取物及其混合物处理发现抗菌效果无显著变化。因紫色杆菌素可以抑制一些植物真菌病原菌，可以将其用作真菌抑制剂[5]。两栖类动物真菌病原菌壶菌(Batrachochytriumdendrobatidis)可引起的一种称作壶菌病的致命皮肤病。从几种两栖动物的皮肤中分离得到詹森氏菌，产生抗真菌代谢产物紫色杆菌素，该色素对壶菌有一定抑制作用。Matthew等将詹森氏菌添加给蝾螈导致其皮肤上紫色杆菌素浓度显著增加，紫色杆菌素浓度与暴露在壶菌下的存活个体数量密切相关，但詹森氏菌并不是其皮肤上唯一的紫色杆菌素生产者[9]。对联合抑制壶菌的研究更有利于选择有益菌株对两栖类动物进行保护，詹森氏菌与某些菌在抑制壶菌时效果呈现加和性，如低浓度的詹森氏菌与中等浓度的芽孢杆菌组合[10]。

1.2 抗肿瘤活性

紫色杆菌素可以通过抑制乳腺癌前细胞分泌迁移趋化因子(CXCL12)，来抵抗肿瘤细胞的迁移[6]。还可以通过抑制细胞生长并诱导细胞自噬和凋亡的作用方式，在体内或者体外抑制头颈部肿瘤细胞的增长[3]。此外，能够较大程度地抑制肺癌细胞和脑癌细胞肿瘤细胞系的增殖能力，从而促进肿瘤细胞死亡[7]。这些研究表明，紫色杆菌素可以通过不同的作用机制来发挥其抗肿瘤作用。但是，迄今为止具有抗肿瘤活性及用于抗肿瘤活性研究的紫色杆菌素大多被发现来源于色素杆菌。

1.3 抗病毒活性

紫色杆菌素包含10%脱氧紫色杆菌素，对单纯疱疹病毒(herpes simplexvirus)和脊髓灰质炎病毒(polioviruses)有一定抑制作用。0.25μg/mL的紫色杆菌素对单纯性疱疹病毒有62%的抑制性，浓度为0.063μg/mL的紫色杆菌素对脊髓灰质炎病毒有56%的抑制性[8]。也有不同的实验结果显示，更高浓度(0.312～1.25μmol/L)的紫色杆菌素对HSV-1有微弱的抑制作用。紫色杆菌素的浓度-反应关系表明，紫色杆菌素的细胞毒性随其浓度的增加而逐渐增加。制备含紫色杆菌素的脂质体，从而提高其生物活性，Andrighetti-Fröhner等人的初步试验结果显示，其对HSV-1的抗病毒活性增加[8]。

1.4 抗原生动物活性

一些学者的研究结果表明，紫色杆菌素具有杀原生动物中锥虫作用。Elizabeth等人通过体外实验测定紫色杆菌素和脱氧紫色杆菌素对疟原虫、锥虫和哺乳动物细胞的生物活性，实验结果发现，虽然脱氧紫色杆菌素对寄生虫的抑制活性低于紫色杆菌素，但是其对哺乳动物细胞的毒性与紫色杆菌素相比微不足道，即脱氧紫色杆菌素对人体细胞的毒性较低。所以脱氧紫色杆菌素可能是开发新型抗寄生虫药物的一个有用起始化合物[4]。

2 詹森氏菌生物大分子

随着测序技术的不断提高，人们越来越重视对詹森氏菌生产的生物功能分子进行研究，特别是从分子水平对其进行研究，如通过测定其生理生化特征及核酸中的G+C含量比对菌株进行分类，判断不同菌株间的亲缘关系，通过研究特殊的基因发现该基因发挥的作用等。

2.1 基因组研究

目前，越来越多詹森氏菌属的菌株全基因组测序工作被完成，詹森氏菌蕴含的生物信息越来越多被呈现出来。大多数詹森氏菌属菌的全基因组大小约为6,000,000至7,000,000bp，G+C含量为62%至63%左右[1,11-14]。詹森氏菌HH01(Janthinobacteriumsp. HH01) 的基因组大小为7,100,000bp，是目前已知较大的詹森氏菌的基因组[14]。Kumar等人测得的詹森氏菌ERGS5:01 (JanthinobacteriumlividumERGS5:01)的基因组大小为5,168,928 bp，是已知较小的詹森氏菌的基因组[2]。詹森氏菌的最大特征是产紫色杆菌素，紫色杆菌素的产生与紫色杆菌素操纵子内的五个基因相关，这五个基因分别是A、B、C、D和E(VioA、VioB、VioC、VioD和VioE)[5]，此外，与传感激酶jqsS，反应调节因子jqsR和自动诱导合酶jqsA的功能密不可分[15]。也有詹森氏菌属的菌不产生该菌属典型的紫色色素，如詹森氏菌BJB412(Janthinobacteriumsp. BJB412)，产生的是一种红色色素。在该菌的生物合成过程中，没有观察到任何的紫色杆菌素生物合成操纵子序列，而是发现了涉及灵菌红素生产的基因序列。并且BJB412的G+C含量为67.16%，远高于大多数的詹森氏菌属菌的G+C含量[11]。

除编码生产紫色杆菌素的基因，詹森氏菌具有多种其它生物活性物质及功能的编码基因，如细菌群体感应调节基因jqsA, qseC和qseS[16]。Cho等人测定的詹森氏菌PAMC 27463(JanthinobacteriumsvalbardensisPAMC 27463)的基因组编码了一氧化氮还原酶，显示有几种酶参与了反硝化过程，经过一系列过程将硝酸盐转化为一氧化氮[12]。詹森氏菌MTR(JanthinobacteriumlividumMTR)中有参与碳循环固定(暗途径)的基因、乙醛酸循环的整套编码基因、以及大量编码硝酸盐、磺酸盐、碳酸氢盐运输系统和铁代谢的基因[13]。

2.2 适冷蛋白酶

适冷蛋白酶是一种水解酶，可以分解蛋白质和多肽的肽键。适冷蛋白酶最适反应度较低，有助于降低与热处理有关的能量需求，被广泛应用于皮革加工、食品生产、环境生物修复等工业领域[17]。

冷休克蛋白质的积累及其相应基因的调控是中低温菌对低温的适应性反应之一。Nazia等人分析了南极耐冷细菌詹森氏菌Ant 5-2(Janthinobacteriumsp. Ant5-2)的生长特性及功能，发现Ant 5-2 CpsD通过域交换形成稳定的二聚体结构，以及具有ss-DNA结合活性，这是长期适应南极极端寒冷环境所必需的[18]。

Kim等人用阴离子交换色谱法从詹森氏菌PAMC 26541(JanthinobacteriumlividumPAMC 26541) 中分离纯化出了一种新的适冷蛋白酶，并对其进行了分析。利用N端序列和部分基因序列克隆了该蛋白酶的编码基因并在大肠杆菌中表达。纯化后得到的蛋白酶最适pH值为7.0～7.5。在pH值6.0～9.6的范围内仍保持活性，在乙二胺四乙酸(EDTA)的存在下也保持90%以上的初活性，可能适合于洗涤剂和食品加工等生物技术应用[17]。

2.3 NAD-谷氨酸脱氢酶

3. 詹森氏菌应用

谷氨酸脱氢酶以NAD或NADP作为辅酶催化戊二酸和氨的可逆氧化脱氨反应。Kawakami等人从詹森氏菌Jl-GDH(JanthinobacteriumlividumJl-GDH)中发现了一个非常大必须NAD-谷氨酸脱氢酶，其亚基大约为170 kDa。对这个超大型催化剂的催化活性进行研究并尝试制造这种酶的晶体，以通过结构分析阐明催化后和活化的详细机理[19]。

3.1 医疗

抗生素的应用挽救了无数生命，但是随着抗生素使用的增多，越来越多的耐药性病原体甚至多重耐药性菌株出现。因此，改进或制定新的抗生素治疗策略和研发新的抗生素尤为重要。栖息地和天然化合物是新型抗生素的重要来源，南极洲已被证明是一个新的微生物物种的丰富来源，具有较大的应用潜力。Andreea等人从南极雪地中分离得到的一株詹森氏菌亚种ROICE173 (JanthinobacteriumlividumROICE173)，并研究了其粗提物对200株临床和环境来源的多重耐药菌株的抑制作用，结果显示对其中79株有明显抑菌作用，25株有一定抑制作用，96株无抑制作用，其中对多种耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、肠球菌和肠道菌有很好的抑制作用。另外，紫色杆菌素和卡那霉素等抗生素具有协同增效作用。也有研究表明，将纳米颗粒与紫色杆菌素结合在一起对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的效果比紫色杆菌素单独应用的效果明显提高[20]。

詹森氏菌所产生的紫色杆菌素所具有抗肿瘤活性引起科学家的极大兴趣。Mojib 等人的研究表明，詹森氏菌Ant5-2(Janthinobacteriumsp. Ant5-2)产生的紫色杆菌素可以通过控制促凋亡蛋白BAX的表达和抑制抑制凋亡蛋白Bcl-2的表达等生理机制明显增加小鼠体内纤维肉瘤细胞的凋亡[21]。

因产物具有抗菌活性，詹森氏菌属的菌株大有希望用来开发新型抗生素并应用于医疗领域。除此之外，其抗肿瘤活性、抗溃疡和止痛等特性增加其应用于医疗领域的可能性。

3.2 生物膜生产

生物膜结构复杂，是指由附着在生命体或无生命体表面的微生物群体组成，并相互嵌入由多糖、蛋白质、细胞外DNA等大分子胞外聚合物基质[22]。生物膜在工业、农业及医疗领域均有应用，借助其选择透过性对水进行过滤等进化处理、改良农作物从而使农作物具有抗冻等优良性状、用人工合成膜材料代替人体病变器官如进行血液透析等。

詹森氏菌属的菌株也可以生产生物膜，其生物膜的生产受碳源的控制，葡萄糖抑制生物膜的产生，甘油则促进生物膜的产生。并且生物膜和紫色杆菌素的产生可以通过一个共同的代谢途径来调节，可以代表詹森氏菌对环境压力的一种反应，是其生存的一个关键因素[23]。

3.3 其他领域

詹森氏菌属的菌种在其他方面也有研究及应用意义。詹森氏菌在两栖类动物中表现出抗真菌活性，也可能在保护两栖动物免受寄生虫引起的皮肤传染病方面发挥作用[24]；其产物紫色杆菌素也可以用作真菌抑制剂[5]。

詹森氏菌是降解细菌的代表之一，在环境污染的生物修复中具有潜在的应用价值[25]。聚-β-羟丁酸(PHB)是一种生物合成聚合物，因其物理性质与传统石油基塑料非常相似，可作为生物降解塑料开发利用。Cho等人发现詹森氏菌PAMC 27463基因组中含有PHB降解基因，预测该菌株可能以PHB作为碳源进行生长代谢活动[12]。

Kanelli等人经过同步发酵和染色、发酵后的超声波细菌培养和含紫色杆菌素的无细胞提取物对织物进行染色，证明詹森氏菌的培养可以成功地用于紫色杆菌素的生产和染色织物的生产，使织物具有抗菌性能，而不需要使用有机溶剂[26]，这将极大地减少纺织业对环境污染，并降低对人体健康的威胁。

Mo等人从松花江流域分离到一株詹森氏菌M-11(Janthinobacteriumsp. M-11)，该菌株在2 ℃的低营养条件下表现出很强的氮代谢能力，在低温微生物水污染处理领域具有广阔的应用前景[27]。

4.总结

詹森氏菌分泌的产物-紫色杆菌素具有抗菌、抗肿瘤等多种生物活性，并且在临床耐药菌株的抑制实验及肿瘤细胞的抑制等方面的功能得到了证实。詹森氏菌属的菌株在医疗、环保及科研等多个领域都具有研究意义和潜在的应用价值，对其进行深入研究具有一定的意义。