表面活性素、桿菌霉素L、羅克霉素和泛革素4種脂肽類抗生素高效制備方法及其生物學活性

羅楚平，張 婧，季冬淳，陳樹橋，陳永興，趙玉萍，李相前

(1.淮陰工學院生命科學與食品工程學院，江蘇 淮安 223002;2.淮陰工學院商學院，江蘇 淮安 223002;3.江蘇省南京市水產科學研究所，江蘇南京 210036)

【研究意義】脂肽類抗生物素是由短肽頭部和脂肪酸尾巴組成的雜合抗生素，由于其理化性質較為穩定，具有廣譜的抗菌、抗病毒［1－4］、抗腫瘤和免疫調節活性［5］，在生物技術和生物制藥領域都具有廣泛的應用前景。【前人研究進展】枯草芽孢桿菌及其近緣物種解淀粉芽孢桿菌都是脂肽類抗生素合成的重要微生物菌株［6］，目前報道它們能夠合成分泌幾十種不同結構的脂肽類抗生素，分屬于表面活性素、伊枯草素、泛革素和最近發現的羅克霉素四大家簇。枯草芽胞桿菌［7］產生的脂肽類抗生素也具有豐富多樣的生物活性，如表面活性素(Surfactin)不僅是表面活性劑，還具有抗癌和抗病毒的作用［8］;泛革素和桿菌霉素具有強抗真菌活性［9］;本團隊最近發現的羅克霉素［10］具有強的抗細菌和抗病毒活性［11］。Zeriouh等研究表明脂肽類化合物中主要由iturins和fengycins對病原真菌起抑制作用，而surfactins有明顯的抑制細菌效果［12－17］。通常一株優秀芽孢桿菌菌株能同時分泌2～3種脂肽類抗生素。在國內關于脂肽類抗生素的研究進展中，王帥等［12］發現枯草芽孢桿菌菌株G1能產生surfactin，另有研究表明B2菌株僅產 surfactin同系物、JA菌株產 iturinA同系物等［18－20］。枯草芽孢桿菌模式菌株B.subtilis 916由于sfp基因的突變不能合成脂肽類抗生素，解淀粉芽孢桿菌模式菌株B.amyloliquefaciens FZB42能夠同時合成表面活性素、桿菌霉素D和泛革素三大家簇脂肽類抗生素。枯草芽胞桿菌Bs916是能同時高效分泌表面活性素、桿菌霉素L、泛革素和羅克霉素4種脂肽類抗生素的優良菌株［21］，是一種理想的制備脂肽類抗生素純品的出發菌株。由于這4種脂肽類抗生素的理化性質相近，采用色譜技術［22－25］很難進行有效分離。【本研究切入點】本文旨在建立一種從枯草芽胞桿菌Bs916中高效簡潔制備4種脂肽類抗生素的方法，初步探究制備脂肽類抗生素的生物活性。【擬解決的關鍵問題】建立4種脂肽類抗生素高效快速純化方法［26－31］，檢測產品的純度，并對制備的純化物抗真菌、抗細菌和溶血活性進行研究。為以后進一步探究脂肽類抗生素的構效關系、生物合成和開發應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 菌株與培養基

帶有新霉素抗性基因的突變株BSBM(Δbmy)由本實驗室之前構建和保存［32］。本實驗采用的培養基均為LB培養基。LB培養基的配方如下:胰化蛋白胨(Tryptone)10 g/L，酵母提取物(Yeast extract)5 g/L氯化鈉(NaCl)10 g/L，另外用NaOH調節該培養基的pH值至7.4。

1.2 4種脂肽類抗生素突變菌株

帶有氯霉素抗性基因的泛革素操縱子(fen)突變株構建過程如下:以 FenAF(5'-TTTCTCGAGGTCTTGATGGTGCAGTCAGA-3')和FenAR(5'-TTTGAATTCCTGGACCTGTTTGTCTTTGT-3')作為引物，以Bs916的基因組DNA作為模板，PCR擴增到一條長729 bp的片段;擴增的片段經過XhoⅠ和EcoRⅠ雙酶切克隆至質粒載體pSG1164，構建整合質粒載體pSGFen;然后pSGFen轉化至芽胞桿菌Bs916，篩選突變株BSFM(Δfen)。

帶有壯觀霉素抗性基因的表面活性素操縱子(srf)突變株的構建過程如下:以SpecF(5'-TTTGGATCCCTGCAGCCCTGGCGAATG-3')和SpecR(5'-TTTGAATTCAGATCCCCCTATGCAAGG-3')作為引物，以 pDG1728質粒作為模板，PCR擴增到一條長1182 bp的含有壯觀霉素表達盒的片段;表達盒經Bam H I和EcoRⅠ雙酶切后克隆至pUC19載體，構建為重組載體pUCSC;以SrfA-AF(5'-TTTAAGCTTACACAGATATCAGGCAAGC-3')和SrfA-AR(5'-TTTGGATCCGTCCCATCGTTCCTTCACA-3')作為引物，以Bs916的基因組DNA作為模板，PCR擴增到一條長908 bp的片段;擴增的片段經過HindⅢ 和Bam HⅠ雙酶切后克隆至pUCSC，構建重組整合質粒載體pUCSCSrf;構建重組整合質粒載體pUCSCSrf轉化至芽胞桿菌 Bs916，篩選突變株 BSSM( Δsrf)［33］。

1.3 脂肽類抗生素提取純化

桿菌霉素L和表面活性素的純化方法。枯草芽胞桿菌Bs916突變株BSFM接種至LB培養基，28℃，180 r/min，培養72 h。培養液離心除去菌體后，加鹽酸調pH值至2.8，離心得到酸沉淀，甲醇抽提沉淀，然后過0.22 μM的濾膜得到桿菌霉素L和表面活性素的粗提物［34］。將粗提物用去離子水稀釋成含30%甲醇水溶液，調pH值至7.0，然后上樣于NH2固相萃取柱，分別用含50%甲醇水溶液，100%甲醇，含0.5%甲酸甲醇溶液，1%甲酸甲醇溶液，2%甲酸甲醇溶液梯度洗脫，在1%甲酸甲醇洗脫溶液中含有目標化合物。將含1%甲酸甲醇洗脫溶液的pH值調至7.0，氮氣吹干濃縮后用去離子水稀釋為30%甲醇水溶液，然后上樣于C18固相萃取柱［35］;采用 3 倍柱體積的 50%，60%，70%，80%，90%，100%甲醇水溶液梯度洗脫，其中在60%甲醇水洗脫液中得到桿菌霉素L，在100%的甲醇洗脫液中檢測到表面活性素。60%甲醇水洗脫液和100%的甲醇洗脫液氮氣吹干濃縮后分別得到桿菌霉素L和表面活性素的純品。

泛革素的純化方法。泛革素的提取方法的大體步驟如桿菌霉素L和表面活性素的純化方法，但有以下兩點不同:①泛革素提取純化的出發菌株為突變株BSSM;②過C18固相萃取柱時，在80%的甲醇洗脫液中發現泛革素，80%的甲醇洗脫液氮氣吹干濃縮后泛革素的純品。

羅克霉素的提取純化方法。枯草芽胞桿菌Bs916接種至LB培養基，28℃，180 r/min，培養72 h。培養液離心除去菌體后，加鹽酸調至pH值至2.8，離心得到酸沉淀，甲醇抽提沉淀，然后過0.22 μM的濾膜得到羅克霉素粗提物。將粗提物采用去離子水稀釋為含30%甲醇水溶液，pH值調至7.0，然后上樣于NH2固相萃取柱，分別用含50%甲醇水溶液，100%甲醇，含0.5%甲酸甲醇溶液，1%甲酸甲醇溶液，2%甲酸甲醇溶液梯度洗脫，在2%甲酸甲醇洗脫溶液中含有目標化合物。將含2%甲酸甲醇洗脫溶液的pH值調至7.0，氮氣吹干濃縮后用去離子水稀釋為30%甲醇水溶液，然后上樣于C18固相萃取柱;采用3倍柱體積的30%，40%，50%，60%，70%，80%甲醇水溶液梯度洗脫，其中在含50%和60%甲醇水洗脫液中得到羅克霉素的提純物。

1.4 脂肽類抗生素的HPLC-MS(高效液相色譜質譜聯用)分析

采用HPLC-MS的方法定性定量檢測4種脂肽類抗生素純品。液相色譜檢測條件都采用C18(5 μm;250 by 4.6 mm;VYDAC 218 TP;VYDAC，Hesperia，CA)柱;流動相為乙腈︰水︰三氟乙酸(80︰20︰0.5 vol/vol for surfactin，50 ︰50 ︰ 0.5 vol/vol for fengycin和60︰40︰0.5 for bacillomycin L);流速均為0.5 mL·min－1;紫外檢測波長均為210 nm。羅克霉素(Locillomycin)的檢測條件除檢測波長為230 nm，其他檢測條件同泛革素的檢測條件。采用HPLC-MS的方法測定4種脂肽類抗生素的分子質量，使用的儀器為電噴霧條件為Agilent 6410三重串聯四級桿質譜儀，測定條件為毛細管電壓32 V、噴霧電壓20 kV、毛細管溫度320℃。

1.5 脂肽類抗生素的SDS-PAGE電泳分析

Tricine-SDS-PAGE鑒定:Tricine-SDS-PAGE參照 Schagger［36］的方法進行，分離膠濃度為 16.5%，濃縮膠濃度3%，恒壓100 V電泳4 h后，以含0.25%的考馬斯亮藍的12%的醋酸進行固定和染色。對桿菌霉素L和泛革素的標準分子質量進行測定。

1.6 脂肽類抗生素的抗真菌活性和溶血活性測定

脂肽類化合物純品抗真菌活性測定。將脂肽類化合物純品配制成不同濃度的帶毒培養基，用無菌水做對照，采用管碟法測定其對病原真菌菌絲生長的抑制作用。每組分10個處理，每處理設3個重復。于28℃培養，每12 h以十字交叉法測量1次菌落直徑，取其平均值減去原菌絲塊直徑，連續測定1周。觀察4種脂肽類化合物的純品對病原真菌的抑制作用。在定性分析的基礎上設定4種脂肽類純化物對各個供試菌的處理濃度梯度，對具有抑制作用的病原菌進行定量分析，計算菌落抑制率。脂肽類化合物的溶血活性。在含有5% 的新鮮的綿羊血紅細胞的瓊脂培養基上打孔，每空滴加200 μl 1 mg/mL制備的脂肽類抗生素純品，37℃培養1～4 d，觀察空氣周圍的溶血透明圈，測定4種脂肽類抗生素的溶血活性。

1.7 脂肽類化合物的抑菌研究

分別取3 mL脂肽類化合物發酵培養液在10 000 r/min下離心15 min，取上清液作為抗菌粗提液。先將金黃色葡萄球在平板上涂布好，然后用滅菌鑷子取滅好菌的牛津杯輕輕的放在平板的中央，用微量移液槍移取200 μl離心后的上清液加入到牛津杯中，放入30℃的恒溫箱中培養，觀察抑菌圈的直徑大小。

2 結果與分析

2.1 脂肽類抗生素的純化

采用構建突變株，酸沉淀，有機溶劑提取和柱層析制備了上述洗脫液氮氣吹干濃縮后真空干燥，分別從10 L的發酵液中得到表面活性素純品120 mg、桿菌霉素L純品80 mg、羅克霉素純品40 mg和泛革素純品40 mg。

2.2 4種脂肽類抗生素的HPLC-MS分析

將本實驗制備的表面活性素和泛革素分別與從sigma公司購買的表面活性素標準品和模式菌株解淀粉芽孢桿菌FZB42產生的泛革素標準品進行HPLC-MS比較分析，發現本實驗制備的表面活性素和泛革素的純度分別達到 98.8% 和 99.2%［37］。桿菌霉素L和羅克霉素是枯草芽孢桿菌Bs916分泌的具有獨特性的2種脂肽抗生素，羅克霉素是本團隊首次鑒定和報道的新型脂肽類抗生素，關于該抗生素的質譜(MS)和核磁共振(NMR)數據在前期已報道［10］，將本實驗制備的羅克霉素和本實驗室保存羅克霉素標準品進行HPLC-MS比較分析，其純度也達到97.8%。然而，桿菌霉素L和泛革素純化物的高效液相色譜檢測結果都無明顯的雜峰，初步推測該方法制備的桿菌霉素L和泛革素也具有較高純度(圖1～4)。

圖1 高效液相色譜質譜聯用分析制備的表面活性素純品Fig.1 HPLC-MS analysis of purified surfactins

圖2 高效液相色譜質譜聯用分析制備的桿菌霉素L純品Fig.2 HPLC-MS analysis of purified bacillomycin L

圖3 高效液相色譜質譜聯用分析制備的羅克霉素純品Fig.3 HPLC-MS analysis of purified bocillomycin

圖4 高效液相色譜質譜聯用分析制備的泛革素純品Fig.4 HPLC-MS analysis of purified fengycin

2.3 2種脂肽類抗生素的SDS-PAGE電泳分析

為進一步明確本實驗室制備的桿菌霉素L和泛革素的純度，本實驗室進一步采用了Tricin-SDSPAGE電泳分析。由圖5可以看出，2種脂肽類抗生素的標準分子質量根據蛋白質凝膠電泳圖表明桿菌霉素和泛革素的標準分子質量約等于1 kDa，沒有其他雜質的污染，純度較高，均達到電泳純。

2.4 4種脂肽類抗生素的溶血活性

圖5 泛革素和桿菌霉素L的Tricine-SDS-PAGE電泳分析Fig.5 SDS-PAGE analysis of fengycin and bacillomycin L

從圖6可以看出，4種脂肽類抗生素的溶血活性測定結果表明表面活性素(Surfactin)和桿菌霉素L(Bacillomycin L)都具有較強的溶血活性，羅克霉素(Locillomycin)的溶血活性較低，泛革素(Fengycin)基本上沒有溶血活性。

本結果進一步證實了枯草芽胞桿菌Bs916突變株溶血活性的變化主要是由分泌表面活性素和桿菌霉素L能力的變化引起。

2.5 4種脂肽類抗生素的抗真菌活性

從圖7可以看出，4種脂肽類抗生素對西瓜枯萎病菌的毒力測定結果表明泛革素和桿菌霉素L對西瓜枯萎病菌都具有較強的抑制活性，它們IC50值都低于5 μg/mL;羅克霉素和表面活性素表現出較弱的抗真菌活性，羅克霉素的 IC50值為18 μg/mL，表面活性素的 IC50值大于 50 μg/mL。

2.6 4種脂肽類抗生素的抗細菌活性

從圖8可以看出，4種脂肽類抗生素對金黃色葡萄球菌的毒力測定結果表明泛革素和桿菌霉素L對金黃色葡萄球菌抑制活性較弱，它們MIC值都高于100 μg/mL;羅克霉素和表面活性素表現出較強的抗金黃色葡萄球菌的活性，羅克霉素的MIC值為5.4 μg/mL，表面活性素的 MIC 值為8.6 μg/mL(圖8)。

圖6 4種脂肽類抗生素的溶血活性分析Fig.6 Hemolytic activities of the four family lipoeptides

圖7 4種脂肽類抗生素的抗真菌活性分析Fig.7 Antifungal activities of the four family lipoeptides

圖8 4種脂肽類抗生素的抗細菌活性分析Fig.8 Antifungal activities of the four family lipoeptides

3 討論

自從1960年以來，僅有環脂肽(cyclic lipopeptides)和惡唑烷酮(oxazolidinones)這兩類化合物以全新結構被開發進入醫藥市場。脂肽類抗生素除了在醫療領域展示出廣闊的應用前景，由于其無毒、安全和熱穩定性好的特點，在食品防腐、化妝品和農業病蟲害防治等領域也展示出巨大的應用前景，是當今微生物活性產物研究的熱點領域之一。芽胞桿菌是產脂肽類抗生素的主要微生物菌種之一，能夠分泌合成幾十種脂肽類抗生素，主要分屬于表面活性素、桿菌霉素、泛革素和羅克霉素。一株優良的枯草芽胞桿菌通常能分泌其中2～3家簇脂肽類抗生素。枯草芽胞桿菌Bs916能夠同時分泌合成四大家簇脂肽類抗生素，是一株理想的研究脂肽類抗生素活性的微生物菌株。

本論文設計構建了枯草芽胞桿菌Bs916不同脂肽類抗生素缺失突變株，并建立了采用酸沉淀、甲醇抽提和柱層析的方法得到4種脂肽類抗生素表面活性素、桿菌霉素L、泛革素和羅克霉素純品;并對制備的純化物的生物活性進行了初步分析。結果表明制備的4種脂肽類抗生素都達到了色譜純和電泳純，這為以后深入研究這4種脂肽類抗生素奠定基礎，也為采用生物技術的方法制備其他種類脂肽抗生素提供了借鑒。本論文還對4種脂肽類抗生素的抗細菌活性、抗真菌活性和溶血活性進行了初步研究，發現脂肽類抗生素的結構多樣行決定了其生物學功能多樣性。表面活性素雖然由于其具有強溶血活性，降低了它開發為醫藥制劑可能，但在化妝品領域以及作為服裝抗皺劑方面具有廣泛應用。桿菌霉素L和泛革素具有強抗真菌活性，目前正在開發作為抗真菌劑。羅克霉素由于強的抗細菌活性和低溶血活性，具有開發為抗細菌制劑的潛力。

4 結論

本研究得到的4種脂肽類抗生素都達到了電泳純和色譜純，桿菌霉素L和泛革素具有強抗真菌活性，表面活性素具有強溶血活性，羅克霉素具有強的抗細菌活性，脂肽類抗生素的結構多樣性決定了其生物活性的多樣性。