細(xì)菌素及其潛在新應(yīng)用的研究進(jìn)展

毛雯 田露，2 龔國(guó)利，2

（1. 陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，西安 710021；2. 西安市微生物藥物工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710021）

所有活的生物都能夠產(chǎn)生抗菌蛋白（Antimicrobial peptides，AMPs），其中許多抗菌蛋白因分子量相對(duì)較小而被稱為抗菌肽。在真核免疫系統(tǒng)中，AMPs被認(rèn)為是宿主防御天敵的第一道防線。細(xì)菌可產(chǎn)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(xì)菌素；另一種是非核糖體合成的抗菌蛋白，其無(wú)結(jié)構(gòu)基因編碼，如e-poly-L-lysine［1］。而本文主要對(duì)細(xì)菌素當(dāng)前的分類狀況、細(xì)菌素的新功能及新應(yīng)用進(jìn)行綜述，希望能為相關(guān)領(lǐng)域研究者提供啟發(fā)及參考。

1 細(xì)菌素的分類狀況

一般將細(xì)菌素定義為由核糖體產(chǎn)生的具有蛋白質(zhì)性質(zhì)，在一定濃度下具有顯著抗微生物活性的多功能物質(zhì)。當(dāng)前，一些研究者喜歡將Gratia等［2］在1925年首次發(fā)現(xiàn)的大腸桿菌素和類似于大腸桿菌素樣的抗菌物質(zhì)（Bacteriocin-like inhibitory substances）分為單獨(dú)的一類。而另外一些學(xué)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(xì)菌素作為一個(gè)獨(dú)立的分類單元［3］。其它的細(xì)菌素應(yīng)根據(jù)細(xì)菌素的種類、來(lái)源、生產(chǎn)的復(fù)雜性和作用機(jī)制進(jìn)行分類。但是，上述細(xì)菌素的分類方法，可能會(huì)造成細(xì)菌素分類混淆，因?yàn)榧?xì)菌素功能多樣，作用機(jī)制復(fù)雜，同一種細(xì)菌素完全有可能具有不同類群細(xì)菌素的部分分類特征。而到目前為止，還沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)更好的細(xì)菌素分類方法。

表1 商業(yè)上可獲得的產(chǎn)生細(xì)菌素的食品級(jí)微生物

2 細(xì)菌素的功能及應(yīng)用

目前許多首次被發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌素已研制成為抗菌劑，其更多的功能及應(yīng)用狀況讀者可參考各種抗菌劑研制成功并應(yīng)用的來(lái)源信息。例如，F(xiàn)uqua等［4］的書中有關(guān)于細(xì)菌素參與調(diào)控微生物群落各種過(guò)程的評(píng)論，以及Hegarty等［5］最新的關(guān)于細(xì)菌素的敘述。乳酸鏈球菌肽（Nisin）是由乳酸鏈球菌（Lactococcus lactis）產(chǎn)生的一種細(xì)菌素，其本身可作為一種類似于觸發(fā)器的傳導(dǎo)信號(hào)，調(diào)節(jié)自身的分泌［6］。在鏈球菌中，膜蛋白（ComM）作為一種信號(hào)分子調(diào)節(jié)具有轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能力和觸發(fā)細(xì)胞對(duì)溶解酶免疫的細(xì)菌素的生產(chǎn)［7］。在變形鏈球菌（Streptococcus mutans）中，當(dāng)存在高濃度的刺激肽時(shí)，胞內(nèi)未修飾定位細(xì)菌素mutacin V可作為裂解劑抵御細(xì)胞微生物的入侵［8］。除此之外，還有一些關(guān)于細(xì)菌素在亞-最低抑菌濃度（Minimum inhibitory concentration，MIC）下觸發(fā)微生物群體感應(yīng)抑制的報(bào)道［9］。從進(jìn)化的角度來(lái)看，微生物利用群體感應(yīng)抑制效應(yīng)作為防御手段，而不是殺死侵襲其生態(tài)位的細(xì)胞是符合邏輯的。即細(xì)菌素生產(chǎn)者不是通過(guò)生產(chǎn)大量的細(xì)菌素防御入侵者，而是通過(guò)分泌少量的細(xì)菌素觸發(fā)群體感應(yīng)抑制，從而阻斷外來(lái)入侵者的生物膜的形成使其沉降下來(lái)達(dá)到防御目的。總之，各種不同類型的細(xì)菌素具有不同的調(diào)節(jié)功能，可調(diào)節(jié)微生物各種反應(yīng)的同時(shí)，也能調(diào)節(jié)它們自身生產(chǎn)［10］。而最近的研究表明，細(xì)菌素在家族親屬識(shí)別方面也扮演著十分重要的角色［11］。

3 細(xì)菌素天然水平的作用效果

當(dāng)前，關(guān)于細(xì)菌素生產(chǎn)者在自然條件下生產(chǎn)出的細(xì)菌素的產(chǎn)量和濃度的報(bào)道較少，因此，模仿自然環(huán)境的研究將揭示科學(xué)家們對(duì)細(xì)菌素主要功能的假設(shè)是否正確。在模擬條件下，以食物環(huán)境中的單核細(xì)胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）為抑菌對(duì)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(xì)胞增生李斯特菌的數(shù)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(xì)胞增生李斯特菌在食品環(huán)境中的存活狀態(tài)隨著nisin的濃度緩慢降低而逐漸存活下來(lái)［12］。這項(xiàng)研究表明在自然條件下，細(xì)菌素在發(fā)揮作用的環(huán)境中會(huì)發(fā)生擴(kuò)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(xì)胞面對(duì)的是濃度相對(duì)較低的外來(lái)入侵細(xì)菌素。因此，基于現(xiàn)有的文獻(xiàn)，科學(xué)家們推測(cè)細(xì)菌素的主要功能是信號(hào)傳遞和排斥作用，而不是殺死入侵細(xì)胞。當(dāng)以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)微生物有機(jī)體在自然狀態(tài)下生產(chǎn)出的細(xì)菌素的量做研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些細(xì)菌素具有其它的附加功能，其中以抗菌活性研究居多［13］。當(dāng)細(xì)菌素處于最小抑菌濃度時(shí)（Minimal bactericidal concentration），它們通常作為膜擾動(dòng)器或成孔物質(zhì)［14］。另外，一部分細(xì)菌素可以通過(guò)干擾細(xì)胞分裂過(guò)程來(lái)殺死敏感細(xì)胞。脂質(zhì)II可作為各種抗菌蛋白（AMP）的識(shí)別“錨”，然而，一些細(xì)菌素具有分離脂質(zhì)II的能力，從而阻止靶細(xì)胞正常運(yùn)轉(zhuǎn)［15］。細(xì)菌素干擾細(xì)胞分裂以及其它的生物學(xué)功能，都可在不同細(xì)菌素的不同濃度下實(shí)現(xiàn)，作用于不同的靶標(biāo)微生物體。例如，唾液鏈球菌中發(fā)現(xiàn)的微摩爾級(jí)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(jí)濃度的乳酸鏈球菌肽A也具有相同的功能［16］。從而通過(guò)干擾細(xì)菌隔膜的形成起到一些細(xì)菌素的抑菌作用［17］。但目前報(bào)道最多的細(xì)菌素抑菌方式是使敏感細(xì)胞裂解［18］。

4 細(xì)菌素在食品領(lǐng)域的新應(yīng)用

大多數(shù)涉及細(xì)菌素在食品中的應(yīng)用可分為3類：部分純化的細(xì)菌素產(chǎn)品，如含有2.5%乳鏈菌肽的Nisaplin1）；含有粗制發(fā)酵物形式的細(xì)菌素的乳制品和其他食品級(jí)發(fā)酵產(chǎn)品，如Micro-GARD1系列含細(xì)菌素的產(chǎn)品［19］和細(xì)菌素生產(chǎn)者的保護(hù)性培養(yǎng)物（表1，圖1）［20-21］。利用細(xì)菌素控制各種食源性病原體已經(jīng)由幾個(gè)科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(yè)生產(chǎn)的食品級(jí)細(xì)菌素，可以用作各種食品防腐劑，除了單獨(dú)作為防腐劑外，nisin和其它多種細(xì)菌素的聯(lián)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(gè)方面的應(yīng)用已經(jīng)獲得美國(guó)FDA的批準(zhǔn)［23］。最近，世界各地的專家團(tuán)隊(duì)正在研究改善細(xì)菌素在食物環(huán)境中的作用表現(xiàn)。正在解決的挑戰(zhàn)包括增加細(xì)菌素工程衍生物對(duì)蛋白水解酶的抗性［24］，增強(qiáng)細(xì)菌素的活性和擴(kuò)大抑菌譜［25］。經(jīng)過(guò)對(duì)一些已報(bào)道的方法嘗試之后，Brian等［26］發(fā)現(xiàn)通過(guò)合理設(shè)計(jì)已修飾細(xì)菌素的氨基酸序列的方法能夠明顯改善細(xì)菌素的抑菌活性

圖1 細(xì)菌素：從簡(jiǎn)單使用到復(fù)雜的針對(duì)性應(yīng)用

除了通過(guò)對(duì)氨基酸序列進(jìn)行操縱改善細(xì)菌素的抗微生物活性之外，細(xì)菌素在食物環(huán)境中的有效性也可通過(guò)智能控制交付的方法進(jìn)行改善。在一項(xiàng)以nisin和對(duì)nisin最敏感的藤黃微球菌菌株（M. luteus）為模型的細(xì)菌素抑制病原菌的研究中，發(fā)現(xiàn)最有效的抑制階段發(fā)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(shí)，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(jí)細(xì)菌素輸送系統(tǒng)仍在研究當(dāng)中，但已研究的細(xì)菌素輸送系統(tǒng)完全可以應(yīng)用于各種藥物的輸送［28］。

細(xì)菌素的一個(gè)新興潛在的作用可能是針對(duì)功能性食品，其中細(xì)菌素生產(chǎn)者將與食物一起食用或作為促進(jìn)健康的非處方制劑，目的在于正調(diào)節(jié)胃腸道的微生物菌群［29］。在首次報(bào)道的實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)細(xì)菌素的唾液乳桿菌UCC118能夠誘導(dǎo)改變肥胖小鼠的胃腸道微生物群從而調(diào)節(jié)小鼠的飲食狀況。但其分泌的細(xì)菌素及其衍生物不參與上述調(diào)節(jié)反應(yīng)［30］。

5 細(xì)菌素在人類健康方面的新應(yīng)用

一些細(xì)菌素，如來(lái)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(fù)制的后期階段。固定和殺滅精子的枯草溶菌素A的濃度對(duì)從人胃腸道分離的乳酸桿菌無(wú)抑菌活性。相反，乳酸鏈球菌肽的殺精子濃度對(duì)乳酸桿菌具有抑制活性［33］。此外，科學(xué)家們進(jìn)行了將細(xì)菌素的功能與其相關(guān)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化的嘗試，并且已經(jīng)報(bào)道了一些系統(tǒng)的方法來(lái)改善部分細(xì)菌素的功能［34］。雖然細(xì)菌素的主要應(yīng)用一直是食品保藏［35］，但傳統(tǒng)抗生素具有強(qiáng)耐藥性的出現(xiàn)，為探索細(xì)菌素在多種醫(yī)療保健產(chǎn)品中的應(yīng)用提供了新的機(jī)遇。最近，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（National Institute of Health，NIH）鼓勵(lì)研究人員尋找新型藥物制劑的補(bǔ)充方法，因?yàn)樵卺t(yī)療保健產(chǎn)品中不需要的潛在抗性微生物必須得到控制［36］。當(dāng)常規(guī)的抗生素藥物與新型抗菌劑聯(lián)合使用時(shí)，傳統(tǒng)抗生素的抗微生物活性能夠得到增強(qiáng)［37］，采用協(xié)同的多極化方法在受控細(xì)菌中作用不同靶點(diǎn)的抗微生物藥物已經(jīng)研究多年。據(jù)報(bào)道，不同的細(xì)菌素協(xié)同作用可在各種食品級(jí)物質(zhì)［38］和噬菌體［39］中得到應(yīng)用，盡管后者研究沒(méi)有提供分?jǐn)?shù)抑制濃度（Fractional inhibitory concentrations）或等效劑量（Isobologram）來(lái)驗(yàn)證觀察到的協(xié)同作用。細(xì)菌素潛在影響深遠(yuǎn)的研究領(lǐng)域還包括口腔和皮膚護(hù)理，以及呼吸道，胃腸道，泌尿生殖道等感染疾病的控制。細(xì)菌素除了具有抗病毒活性之外，也可能使用在術(shù)后感染性細(xì)菌的控制中［40］。目前，nisin是最早發(fā)現(xiàn)和研究最多的細(xì)菌素，對(duì)人類健康相關(guān)的應(yīng)用有著特殊的意義，因?yàn)樗軌蚩刂圃S多革蘭氏陽(yáng)性病原體，當(dāng)與其它各種抗菌劑組合使用時(shí)，其作用范圍不斷擴(kuò)大，同時(shí)能夠抑制革蘭氏陰性菌，主要作用部位是革蘭氏陰性細(xì)菌的外膜［41］。隨著細(xì)菌素研究的不斷深入，其作為潛在抗癌藥物的研究是科學(xué)家們最感興趣的研究領(lǐng)域之一［42］。細(xì)菌素能夠有選擇性的抵抗癌細(xì)胞，最有可能是由于不同癌細(xì)胞的生物膜的差異性所致。

6 總結(jié)與展望

細(xì)菌素是細(xì)菌眾多天然防御機(jī)制之一，常用于在相同環(huán)境中與其它微生物競(jìng)爭(zhēng)的天然屏障。自乳酸鏈球菌肽首次發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科研工作者已經(jīng)闡述了許多具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和不同作用機(jī)制的細(xì)菌素，并且許多編碼細(xì)菌素生產(chǎn)，分泌和免疫的基因已被報(bào)道。在過(guò)去的十年中，很多研究者將注意力集中在食品保藏級(jí)細(xì)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(jī)制與效果。在今后的一段時(shí)間中，細(xì)菌素的研究重點(diǎn)是根據(jù)已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全新的氨基酸序列，人工合成新型細(xì)菌素或?qū)ΜF(xiàn)有的細(xì)菌素進(jìn)行改造，提高細(xì)菌素的應(yīng)用潛力；隨著基因組序列的快速發(fā)展，基因組挖掘變得更加容易，并且利用DNA重組技術(shù)合成滿足人們要求的活性多肽或蛋白質(zhì)，進(jìn)而提高細(xì)菌素產(chǎn)量水平、穩(wěn)定性、抑菌比活力，拓寬細(xì)菌素抑菌譜，探討細(xì)菌素產(chǎn)生菌株的自身免疫性機(jī)制。細(xì)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(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，其開發(fā)和應(yīng)用之路任重而道遠(yuǎn)。在當(dāng)今這個(gè)令人興奮的細(xì)菌素研究新時(shí)代，期待專業(yè)且高效的新型細(xì)菌素的誕生。