芽孢桿菌（Bacillus）細胞膜剛性的相關研究概述

劉修齊

摘要：本文綜述了芽孢桿菌細胞膜剛性的相關研究成果，包括芽孢桿菌特征及分類進化史、細胞膜及芽孢的特征、芽孢桿菌細胞膜剛性的研究的趨勢與進展。

關鍵詞：芽孢桿菌；細胞膜剛性

一、芽孢桿菌（Genus Bacillus）的特征及分類進化史

1872年，F(xiàn)erdinand Cohn將Ehrenberg于1835年命名的“Vibrio subtils”更名為Bacillus subtilis，建立了芽孢桿菌屬。將其描述為革蘭氏陽性、產(chǎn)芽孢的需氧桿菌。早在1884年，芽孢桿菌產(chǎn)生芽孢的特性便成為其重要的分類特征。

芽孢桿菌屬的各個成員廣泛分布于空氣、土壤與水，甚至一些極端環(huán)境（例如高海拔的空氣）。而其代謝的多樣性使它們成為商業(yè)用途較為廣泛的菌群之一。目前四類產(chǎn)品的生產(chǎn)主要依賴于芽孢桿菌：酶、生物化學制品、抗生素和殺蟲劑。隨著1970年代分子生物技術的興起，16SrDNA序列及細胞表型特征己成其分類的主要依據(jù)[1][2]。

二、細胞膜及芽孢的特征

細胞膜作為細胞結(jié)構(gòu)的基礎組成部分，具有隔離外界環(huán)境、信息交流、能量產(chǎn)生、維持離子濃度梯度及固定膜蛋白等重要功能。目前對于細胞膜結(jié)構(gòu)的認識基于 Singerand Nicholson的流動鑲嵌模型[3]：細胞膜是由脂類雙分子層中鑲嵌可以移動的球形蛋白質(zhì)組成。

細胞膜剛性（Rigidity）是描述細胞膜狀態(tài)的重要參數(shù)之一。研究表明，細胞膜會通過修飾自身結(jié)構(gòu)以維持一個流動的狀態(tài)。細胞膜剛性的改變?nèi)Q于膜上脂肪與外界環(huán)境因素發(fā)生的物理化學反應。

由于熒光探針自身穩(wěn)定、可被重復激活與探測、不破壞細胞膜結(jié)構(gòu)及操作便捷等優(yōu)勢，現(xiàn)己成為研究細胞膜常用的工具。目前，1，6-二苯基-1，3，5-己三烯（DPH）探針被廣泛使用[4]。作為一個極度疏水親脂對稱的探針，DPH能夠滲透進膜的疏水區(qū)并于脂肪酸鏈平行附著，隨著DPH的不斷插入細胞膜將會引發(fā)熒光強度增強[5]。

芽孢在惡劣環(huán)境下由營養(yǎng)細胞形成。在環(huán)境適宜時，芽孢被重新激活、萌發(fā)后發(fā)芽，再次變?yōu)闋I養(yǎng)細胞[6]。

芽孢代謝上處于休眠狀態(tài)，與營養(yǎng)細胞完全不同的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)分為：外壁、芽孢殼、外膜、皮層、芽孢壁、內(nèi)膜與核芯。其中芽孢內(nèi)膜上脂肪分子的狀態(tài)使其具有極低的滲透性，保護芽孢內(nèi)DNA免受侵害[7]。研究表明，芽孢內(nèi)膜會在之后芽孢發(fā)芽時變?yōu)闋I養(yǎng)細胞的細胞膜。

三、芽孢桿菌細胞膜剛性的研究意義及進展

隨著當代人們對食物帶來的健康作用的重視，人們要求食物質(zhì)量好、新鮮、低鹽又不含防腐劑。這便催生了加工工序少的即食食物。傳統(tǒng)的巴氏消毒殺菌方式具有諸多局限性（例如影響口味、降低食物營養(yǎng)價值），而新興的加熱技術（例如高溫短時消毒（HTST）與超高溫殺菌（UHT））由于無法保持食物的新鮮口味與質(zhì)地，仍不能滿足生產(chǎn)上的需求。目前，一種被稱為非熱處理技術在食品行業(yè)發(fā)展迅速，然而這種處理方法中最重要的安全隱患便是食源性病原菌的芽孢抗性問題。

自Homeoviscous Adaptations理論的提出，人們對于營養(yǎng)細胞膜的脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)對于外界環(huán)境變化的反應機理己充分研究。而關于休眠芽孢細胞膜剛性以及芽孢與營養(yǎng)細胞之間細胞膜剛性聯(lián)系的相關研究并未廣泛展開。已有研究數(shù)據(jù)表明應用于熒光偏振分析法的DPH探針可以準確定位到特定芽孢桿菌菌種的芽孢內(nèi)膜，進而說明DPH探針以其不破壞細胞膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點可被廣泛應用于芽孢細胞膜剛性研究。

相信在不久的將來，通過對于芽孢桿菌細胞膜剛性的相關基礎研究，能讓我們更好地理解芽孢的抗性機理，從而指導相關行業(yè)更新相應消毒殺菌技術（例如通過特定成分的加入來改變細胞膜的相關特性與功能），進一步提升食品行業(yè)安全生產(chǎn)的管理水平。

參考文獻：

[1]Harwood，C.R.，Ed.（1989）.Introductionof Biotechnology of Bacillus.Bacillus.New York，Plenum Press.

[2]Logan，N.A.（2012）."Bacillus andRelatives in Foodborne illness."J Appl Microbiol112（3）：417-429.

[3]Singer，S.J.and G.L.Nicolson（1972）."Thefluid mosaic model of the structure of cellmembranes."Science 175（23）：720-731.

[4]Trevors，J.（2003）."Fluorescent probes forbacterial cytoplasmic membrane research."Journalof Biochemical and Biophysical Methods 57（2）：87-103.

[5]Mykytczuk，N.，J.Trevors，etal.（2007）."Fluorescence polarization in studies ofbacterial cytoplasmic membrane flu[D].ty underenvironmental stress."Progress in Biophysics andMolecular Biology 95（1）：60-82.

[6]Moir，A.（2006）.”How do sporesgerminate？"Journal of Applied Microbiology101（3）：526-530.

[7]Setlow，P.（2006）. "Spores of Bacillussubtilis：their resistance to and killing byradiation，heat and chemicals."Journal of AppliedMicrobiology 101（3）：514-525.