細菌素及其潛在新應用的研究進展

毛雯 田露，2 龔國利，2

（1. 陜西科技大學食品與生物工程學院，西安 710021；2. 西安市微生物藥物工程實驗室，西安 710021）

所有活的生物都能夠產生抗菌蛋白（Antimicrobial peptides，AMPs），其中許多抗菌蛋白因分子量相對較小而被稱為抗菌肽。在真核免疫系統中，AMPs被認為是宿主防御天敵的第一道防線。細菌可產生兩種類型的AMPs，一種是由核糖體合成的抗菌蛋白，俗稱為細菌素；另一種是非核糖體合成的抗菌蛋白，其無結構基因編碼，如e-poly-L-lysine［1］。而本文主要對細菌素當前的分類狀況、細菌素的新功能及新應用進行綜述，希望能為相關領域研究者提供啟發及參考。

1 細菌素的分類狀況

一般將細菌素定義為由核糖體產生的具有蛋白質性質，在一定濃度下具有顯著抗微生物活性的多功能物質。當前，一些研究者喜歡將Gratia等［2］在1925年首次發現的大腸桿菌素和類似于大腸桿菌素樣的抗菌物質（Bacteriocin-like inhibitory substances）分為單獨的一類。而另外一些學者建議將分泌于乳酸菌（Lactic acid bacteria），并具有十分重要研究意義的細菌素作為一個獨立的分類單元［3］。其它的細菌素應根據細菌素的種類、來源、生產的復雜性和作用機制進行分類。但是，上述細菌素的分類方法，可能會造成細菌素分類混淆，因為細菌素功能多樣，作用機制復雜，同一種細菌素完全有可能具有不同類群細菌素的部分分類特征。而到目前為止，還沒有人發現更好的細菌素分類方法。

表1 商業上可獲得的產生細菌素的食品級微生物

2 細菌素的功能及應用

目前許多首次被發現的細菌素已研制成為抗菌劑，其更多的功能及應用狀況讀者可參考各種抗菌劑研制成功并應用的來源信息。例如，Fuqua等［4］的書中有關于細菌素參與調控微生物群落各種過程的評論，以及Hegarty等［5］最新的關于細菌素的敘述。乳酸鏈球菌肽（Nisin）是由乳酸鏈球菌（Lactococcus lactis）產生的一種細菌素，其本身可作為一種類似于觸發器的傳導信號，調節自身的分泌［6］。在鏈球菌中，膜蛋白（ComM）作為一種信號分子調節具有轉運蛋白能力和觸發細胞對溶解酶免疫的細菌素的生產［7］。在變形鏈球菌（Streptococcus mutans）中，當存在高濃度的刺激肽時，胞內未修飾定位細菌素mutacin V可作為裂解劑抵御細胞微生物的入侵［8］。除此之外，還有一些關于細菌素在亞-最低抑菌濃度（Minimum inhibitory concentration，MIC）下觸發微生物群體感應抑制的報道［9］。從進化的角度來看，微生物利用群體感應抑制效應作為防御手段，而不是殺死侵襲其生態位的細胞是符合邏輯的。即細菌素生產者不是通過生產大量的細菌素防御入侵者，而是通過分泌少量的細菌素觸發群體感應抑制，從而阻斷外來入侵者的生物膜的形成使其沉降下來達到防御目的。總之，各種不同類型的細菌素具有不同的調節功能，可調節微生物各種反應的同時，也能調節它們自身生產［10］。而最近的研究表明，細菌素在家族親屬識別方面也扮演著十分重要的角色［11］。

3 細菌素天然水平的作用效果

當前，關于細菌素生產者在自然條件下生產出的細菌素的產量和濃度的報道較少，因此，模仿自然環境的研究將揭示科學家們對細菌素主要功能的假設是否正確。在模擬條件下，以食物環境中的單核細胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）為抑菌對象，亞-最低抑菌濃度的乳酸鏈球菌素（nisin）作為入侵者，觀察到單核細胞增生李斯特菌的數量隨著乳酸鏈球菌素濃度變化的情況。最終我們看到單核細胞增生李斯特菌在食品環境中的存活狀態隨著nisin的濃度緩慢降低而逐漸存活下來［12］。這項研究表明在自然條件下，細菌素在發揮作用的環境中會發生擴散，最終只有一小部分作用于病原體，也就是在自然條件下病原體細胞面對的是濃度相對較低的外來入侵細菌素。因此，基于現有的文獻，科學家們推測細菌素的主要功能是信號傳遞和排斥作用，而不是殺死入侵細胞。當以遠遠超過微生物有機體在自然狀態下生產出的細菌素的量做研究時發現，一些細菌素具有其它的附加功能，其中以抗菌活性研究居多［13］。當細菌素處于最小抑菌濃度時（Minimal bactericidal concentration），它們通常作為膜擾動器或成孔物質［14］。另外，一部分細菌素可以通過干擾細胞分裂過程來殺死敏感細胞。脂質II可作為各種抗菌蛋白（AMP）的識別“錨”，然而，一些細菌素具有分離脂質II的能力，從而阻止靶細胞正常運轉［15］。細菌素干擾細胞分裂以及其它的生物學功能，都可在不同細菌素的不同濃度下實現，作用于不同的靶標微生物體。例如，唾液鏈球菌中發現的微摩爾級濃度的唾液酸B能夠干擾藤黃微球菌（Micrococcus luteus）和化膿性鏈球菌（Streptococcus pyogenes）中的隔膜形成，而納摩爾級濃度的乳酸鏈球菌肽A也具有相同的功能［16］。從而通過干擾細菌隔膜的形成起到一些細菌素的抑菌作用［17］。但目前報道最多的細菌素抑菌方式是使敏感細胞裂解［18］。

4 細菌素在食品領域的新應用

大多數涉及細菌素在食品中的應用可分為3類：部分純化的細菌素產品，如含有2.5%乳鏈菌肽的Nisaplin1）；含有粗制發酵物形式的細菌素的乳制品和其他食品級發酵產品，如Micro-GARD1系列含細菌素的產品［19］和細菌素生產者的保護性培養物（表1，圖1）［20-21］。利用細菌素控制各種食源性病原體已經由幾個科研團隊進行了幾十年的研究［22］。然而，迄今為止，乳酸鏈球菌肽是唯一能夠商業生產的食品級細菌素，可以用作各種食品防腐劑，除了單獨作為防腐劑外，nisin和其它多種細菌素的聯合使用能夠有效控制食源性病原體，而且其在食品其它幾個方面的應用已經獲得美國FDA的批準［23］。最近，世界各地的專家團隊正在研究改善細菌素在食物環境中的作用表現。正在解決的挑戰包括增加細菌素工程衍生物對蛋白水解酶的抗性［24］，增強細菌素的活性和擴大抑菌譜［25］。經過對一些已報道的方法嘗試之后，Brian等［26］發現通過合理設計已修飾細菌素的氨基酸序列的方法能夠明顯改善細菌素的抑菌活性

圖1 細菌素：從簡單使用到復雜的針對性應用

除了通過對氨基酸序列進行操縱改善細菌素的抗微生物活性之外，細菌素在食物環境中的有效性也可通過智能控制交付的方法進行改善。在一項以nisin和對nisin最敏感的藤黃微球菌菌株（M. luteus）為模型的細菌素抑制病原菌的研究中，發現最有效的抑制階段發生在nisin快速釋放的初始階段和之后以較小量緩慢釋放的階段。此時，nisin的量恰好足以控制剩余所有的藤黃微球菌菌株［27］。目前，雖然合適的食品級細菌素輸送系統仍在研究當中，但已研究的細菌素輸送系統完全可以應用于各種藥物的輸送［28］。

細菌素的一個新興潛在的作用可能是針對功能性食品，其中細菌素生產者將與食物一起食用或作為促進健康的非處方制劑，目的在于正調節胃腸道的微生物菌群［29］。在首次報道的實驗中，產細菌素的唾液乳桿菌UCC118能夠誘導改變肥胖小鼠的胃腸道微生物群從而調節小鼠的飲食狀況。但其分泌的細菌素及其衍生物不參與上述調節反應［30］。

5 細菌素在人類健康方面的新應用

一些細菌素，如來自枯草芽孢桿菌的枯草溶菌素A具有抗病毒［31］和殺精活性［32］。枯草溶菌素的抗病毒活性可能是由于干擾了病毒復制的后期階段。固定和殺滅精子的枯草溶菌素A的濃度對從人胃腸道分離的乳酸桿菌無抑菌活性。相反，乳酸鏈球菌肽的殺精子濃度對乳酸桿菌具有抑制活性［33］。此外，科學家們進行了將細菌素的功能與其相關結構系統化的嘗試，并且已經報道了一些系統的方法來改善部分細菌素的功能［34］。雖然細菌素的主要應用一直是食品保藏［35］，但傳統抗生素具有強耐藥性的出現，為探索細菌素在多種醫療保健產品中的應用提供了新的機遇。最近，美國國立衛生研究院（National Institute of Health，NIH）鼓勵研究人員尋找新型藥物制劑的補充方法，因為在醫療保健產品中不需要的潛在抗性微生物必須得到控制［36］。當常規的抗生素藥物與新型抗菌劑聯合使用時，傳統抗生素的抗微生物活性能夠得到增強［37］，采用協同的多極化方法在受控細菌中作用不同靶點的抗微生物藥物已經研究多年。據報道，不同的細菌素協同作用可在各種食品級物質［38］和噬菌體［39］中得到應用，盡管后者研究沒有提供分數抑制濃度（Fractional inhibitory concentrations）或等效劑量（Isobologram）來驗證觀察到的協同作用。細菌素潛在影響深遠的研究領域還包括口腔和皮膚護理，以及呼吸道，胃腸道，泌尿生殖道等感染疾病的控制。細菌素除了具有抗病毒活性之外，也可能使用在術后感染性細菌的控制中［40］。目前，nisin是最早發現和研究最多的細菌素，對人類健康相關的應用有著特殊的意義，因為它能夠控制許多革蘭氏陽性病原體，當與其它各種抗菌劑組合使用時，其作用范圍不斷擴大，同時能夠抑制革蘭氏陰性菌，主要作用部位是革蘭氏陰性細菌的外膜［41］。隨著細菌素研究的不斷深入，其作為潛在抗癌藥物的研究是科學家們最感興趣的研究領域之一［42］。細菌素能夠有選擇性的抵抗癌細胞，最有可能是由于不同癌細胞的生物膜的差異性所致。

6 總結與展望

細菌素是細菌眾多天然防御機制之一，常用于在相同環境中與其它微生物競爭的天然屏障。自乳酸鏈球菌肽首次發現以來，科研工作者已經闡述了許多具有獨特結構和不同作用機制的細菌素，并且許多編碼細菌素生產，分泌和免疫的基因已被報道。在過去的十年中，很多研究者將注意力集中在食品保藏級細菌素上，研究其治療病原微生物感染和控制耐藥致病菌的機制與效果。在今后的一段時間中，細菌素的研究重點是根據已知蛋白質結構設計全新的氨基酸序列，人工合成新型細菌素或對現有的細菌素進行改造，提高細菌素的應用潛力；隨著基因組序列的快速發展，基因組挖掘變得更加容易，并且利用DNA重組技術合成滿足人們要求的活性多肽或蛋白質，進而提高細菌素產量水平、穩定性、抑菌比活力，拓寬細菌素抑菌譜，探討細菌素產生菌株的自身免疫性機制。細菌素作為安全高效抗菌劑的良好資源，在食品防腐、人類疾病防治和生物防治等領域展現出巨大的應用潛力，其開發和應用之路任重而道遠。在當今這個令人興奮的細菌素研究新時代，期待專業且高效的新型細菌素的誕生。