乳酸菌抗噬菌體侵染作用的研究

趙鵬昊 劉紅玉

摘? 要：噬菌體是一類具有高度特異性的細胞傳染因子，通常廣泛滋生于各類環(huán)境中，由其侵染作用導致的發(fā)酵劑失效問題使食品行業(yè)損失巨大。為應對這一問題，該文整理了國內(nèi)外有關乳酸菌抵抗噬菌體機制的最新研究成果，包括乳酸菌中的CRISPR-Cas防御機制及相變限制性修飾系統(tǒng)的作用方式，隨后介紹了部分乳酸菌與噬菌體發(fā)生表面接觸時的作用機理。最后，基于上述理論，該文整理了2種可以有效控制乳酸菌發(fā)酵過程中噬菌體污染的應對措施，以供參考。

關鍵詞：乳酸菌;噬菌體防控;表面互作

中圖分類號：Q93? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

食品工業(yè)中的乳制品發(fā)酵過程通常是在非無菌條件下大規(guī)模進行的，依靠相同的細菌培養(yǎng)物進行多批次連續(xù)發(fā)酵，在這一過程中，由裂解性噬菌體污染導致的發(fā)酵失敗情況時有發(fā)生。為了解決這一問題，許多微生物領域的科研人員進行了大量的機理和應用性研究，筆者將對近幾年的部分研究成果和幾種應對手段進行簡要介紹。

1 乳酸菌中的噬菌體防御機制

1.1 CRISPR-Cas外源遺傳物沉默機制

CRISPR-Cas是存在于大多數(shù)細菌和古細菌中的一種抵抗外來DNA侵染的防御系統(tǒng)，作為一種后天免疫機制，該系統(tǒng)可以通過不同DNA的感染過程獲取多重抗性。CRISPR-Cas系統(tǒng)具有多種分型，其一般的作用機制是將外源遺傳物質(zhì)作為間隔區(qū)整合到自身染色體的特定位置，利用這一遺傳序列轉(zhuǎn)錄加工成小的非編碼RNA，當相同的外源DNA再次出現(xiàn)時，RNA會與特定的Cas蛋白復合物共同作用于外來DNA，使其“沉默”，從而解除侵染威脅。

1.2 相變限制性修飾系統(tǒng)

限制性修飾系統(tǒng)是廣泛存在于原核生物界的功能體系，它既能保護自身不受外來遺傳物質(zhì)的侵染，又能對自身遺傳物質(zhì)進行修飾加工。在近幾年的研究中，有研究者發(fā)現(xiàn)，限制性修飾系統(tǒng)的類群中存在著一類具有相變功能的分支，這類限制性修飾系統(tǒng)有著更為強大的功能，他們能夠通過相變作用產(chǎn)生多種基因重組，進而影響細胞的多種表型。通常一種菌株能攜帶多種特異性限制修飾功能，使細胞可以改變生理模式以應對不同的環(huán)境狀況。象當菌體處于一種特殊的細胞狀態(tài)下時，相變限制性修飾系統(tǒng)可以激活阻斷噬菌體吸附作用的表型;在一個細菌群體中，多樣修飾的個體占比達到70%以上時，可以表現(xiàn)出優(yōu)于CRISPR系統(tǒng)的噬菌體抵抗作用，相比于CRISPR系統(tǒng)，相變限制修飾系統(tǒng)表現(xiàn)出了廣譜性的噬菌體感染防御能力。

2 部分乳酸菌與對應噬菌體的表面相互作用

2.1 乳酸乳球菌

乳酸乳球菌噬菌體通常根據(jù)遺傳學和形態(tài)學上的特點分為10個群體，其中936型、c2型和P335型是危害乳品工業(yè)的3個主要群體，近幾年的研究使我們對這一類噬菌體的了解更加深入。通常我們認為乳酸菌噬菌體需要鈣離子的幫助來感染和裂解宿主菌，借此研究人員通過引入磷酸鹽來結(jié)合包括鈣離子在內(nèi)的二價陽離子，從而達到抑制噬菌體的活動效果，但這項研究被證明并不能徹底抑制乳酸菌噬菌體的活動。在Sciara等的研究中，一項關于936型噬菌體群感染過程的研究結(jié)果顯示，鈣離子的主要作用是作為啟動噬菌體基座正確構(gòu)象的激活劑;而在Veesler等人的研究中，c2型噬菌體群和P335型噬菌體群的多數(shù)種則不需要鈣。

2.2 嗜熱鏈球菌

根據(jù)遺傳相似性比對的方法，Mills等人于2011年鑒定出了一種新的嗜熱鏈球菌噬菌體，結(jié)合之前的研究，嗜熱鏈球菌噬菌體的類型主要被劃分為3類，即01205型噬菌體、7201型噬菌體和5093型噬菌體。早期已經(jīng)有研究證明，嗜熱鏈球菌噬菌體負責控制與宿主細胞表面發(fā)生特異性互作的部分由RBP基因編碼，該基因由3個結(jié)構(gòu)域組成，包括高度保守的氨基末端結(jié)構(gòu)域、可能含有可變區(qū)（VR1）的中心域和含有特定可變區(qū)（VR2）的第3結(jié)構(gòu)域，其中噬菌體—宿主互作主要與第三結(jié)構(gòu)域相關，Jennifer等人通過同源重組的方法將嗜熱鏈球菌與乳酸乳球菌第三結(jié)構(gòu)域中的特定可變區(qū)進行了互換，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2個不同噬菌體互換了宿主作用范圍。

2.3 明串珠菌

關于明串珠菌噬菌體與宿主相互作用的研究相對較少，在這一領域我們采取的主要研究手段與乳酸乳球菌類似，依然是通過開發(fā)嵌合噬菌體來進行深入探究。Kot等人通過將明串珠菌噬菌體LN04的推定受體結(jié)合蛋白編碼基因，與假絲酵母菌噬菌體P793的推定受體結(jié)合蛋白編碼基因進行交換重組，改變其宿主范圍，數(shù)據(jù)表明明串珠菌噬菌體對原宿主吸附率下降了85%，并發(fā)現(xiàn)了噬菌體中基板結(jié)構(gòu)的相應變化。對于明串珠菌與宿主相互作用的已知事實仍然相對較少，有價值的噬菌體抗性系統(tǒng)信息開發(fā)仍需要進一步研究。

3 利用乳酸菌抗噬菌體侵染機制的防控手段

3.1 高應變抗性復合發(fā)酵劑

發(fā)酵乳制品在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)嚴重的噬菌體污染問題，噬菌體侵染發(fā)酵劑導致發(fā)酵異常、產(chǎn)品不達標，直接造成經(jīng)濟損失。在發(fā)酵劑的研發(fā)領域，Spus與他的團隊試圖開發(fā)一種具有高應變抗性的復合發(fā)酵劑，他們嘗試通過大量篩選適合作為產(chǎn)品發(fā)酵劑的乳酸菌，對篩選的菌株進行相應的譜系分析并觀察其對噬菌體侵染作用的應答反應，最終獲得了4株對噬菌體侵染過程有著較高抗性的菌株，利用4株乳酸菌各自的應變抗性開發(fā)出的復合發(fā)酵劑，在應對侵染中可以產(chǎn)生優(yōu)勢互補的作用，為進一步開發(fā)出噬菌體污染抗性發(fā)酵劑創(chuàng)造了條件。基于這一研究，開發(fā)能夠高效發(fā)酵并可以有效防控噬菌體危害的發(fā)酵劑，可以作為一種易普及的手段應用于干酪等固態(tài)乳制品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。

3.2 利用細胞碎片“捕撈”噬菌體的膜過濾手段

目前在乳品工業(yè)中，應對噬菌體污染時仍然以預防和消毒為主要手段，對于已經(jīng)被污染的體系只能棄置隔離并徹底消毒滅菌，處理方法較為被動。但隨著近幾年膜技術(shù)的逐漸成熟，一些“另辟蹊徑”的特殊方法進入人們的視線，Samtlebe與他的團隊在2015年—2019年的研究中都致力于改進膜過濾手段，以此來處理污染乳清的乳酸乳球菌噬菌體，他們提出了一種新的思路，利用噬菌體侵染細菌前的吸附作用，在侵染細菌的吸附期將一些通過特殊破碎處理的細胞碎片投入混合體系，對噬菌體進行“釣魚”，當噬菌體與細胞碎片充分結(jié)合后，再利用膜對這些特殊粒徑的“咬住餌的魚”進行“捕撈”，這樣就實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中對污染料液的濾菌處理。雖然這一研究成果目前主要應用于干酪副產(chǎn)物乳清中處理乳酸乳球菌噬菌體，但這一策略在控制食品工業(yè)中的微生物污染方面具有很大參考價值。

4 結(jié)語

隨著噬菌體—宿主相互作用研究的不斷推進，我們對噬菌體侵染細菌的機理愈發(fā)了解，根據(jù)侵染過程中的規(guī)律，許多設計巧妙的新型策略也逐漸涌現(xiàn)。噬菌體污染是廣泛存在于食品行業(yè)中的問題之一，尤其是在與乳酸菌關系密切的發(fā)酵食品行業(yè)中，新的技術(shù)手段或許能成為我們化被動為主動的轉(zhuǎn)機。

參考文獻

[1]李婉，邊鑫，王娜娜，等.乳酸菌CRISPR-Cas系統(tǒng)研究進展[J].中國乳品工業(yè)，2016，44（12）：22-25，35.

[2]范夢茹，劉穎，吳文茹，等.乳酸菌抗噬菌體新型技術(shù)研究[J].食品工業(yè)，2017，38（2）：225-229.

[3]楊亞楠.乳酸菌發(fā)酵劑生物工程技術(shù)研究[J].現(xiàn)代食品，2015（13）：59-61.

[4]楊洋，李啟明，高航，等.酸奶生產(chǎn)中噬菌體的預防與控制[J].飲料工業(yè)，2017，20（6）：43-46.