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(xì)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(dǎo)致的發(fā)酵劑失效問題使食品行業(yè)損失巨大。為應(yīng)對這一問題，該文整理了國內(nèi)外有關(guān)乳酸菌抵抗噬菌體機(jī)制的最新研究成果，包括乳酸菌中的CRISPR-Cas防御機(jī)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(shí)的作用機(jī)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(yīng)對措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：乳酸菌;噬菌體防控;表面互作

中圖分類號(hào)：Q93? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)行的，依靠相同的細(xì)菌培養(yǎng)物進(jìn)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(dǎo)致的發(fā)酵失敗情況時(shí)有發(fā)生。為了解決這一問題，許多微生物領(lǐng)域的科研人員進(jìn)行了大量的機(jī)理和應(yīng)用性研究，筆者將對近幾年的部分研究成果和幾種應(yīng)對手段進(jìn)行簡要介紹。

1 乳酸菌中的噬菌體防御機(jī)制

1.1 CRISPR-Cas外源遺傳物沉默機(jī)制

CRISPR-Cas是存在于大多數(shù)細(xì)菌和古細(xì)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(jī)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(jī)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(dāng)相同的外源DNA再次出現(xiàn)時(shí)，RNA會(huì)與特定的Cas蛋白復(fù)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(hù)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(jìn)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(qiáng)大的功能，他們能夠通過相變作用產(chǎn)生多種基因重組，進(jìn)而影響細(xì)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(xì)胞可以改變生理模式以應(yīng)對不同的環(huán)境狀況。象當(dāng)菌體處于一種特殊的細(xì)胞狀態(tài)下時(shí)，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(gè)細(xì)菌群體中，多樣修飾的個(gè)體占比達(dá)到70%以上時(shí)，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(yīng)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(xué)和形態(tài)學(xué)上的特點(diǎn)分為10個(gè)群體，其中936型、c2型和P335型是危害乳品工業(yè)的3個(gè)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(rèn)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(jià)陽離子，從而達(dá)到抑制噬菌體的活動(dòng)效果，但這項(xiàng)研究被證明并不能徹底抑制乳酸菌噬菌體的活動(dòng)。在Sciara等的研究中，一項(xiàng)關(guān)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(dòng)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(fù)責(zé)控制與宿主細(xì)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(gè)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(guān)，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(jìn)行了互換，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2個(gè)不同噬菌體互換了宿主作用范圍。

2.3 明串珠菌

關(guān)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(lǐng)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(jìn)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(jìn)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(yīng)變化。對于明串珠菌與宿主相互作用的已知事實(shí)仍然相對較少，有價(jià)值的噬菌體抗性系統(tǒng)信息開發(fā)仍需要進(jìn)一步研究。

3 利用乳酸菌抗噬菌體侵染機(jī)制的防控手段

3.1 高應(yīng)變抗性復(fù)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(yán)重的噬菌體污染問題，噬菌體侵染發(fā)酵劑導(dǎo)致發(fā)酵異常、產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)，直接造成經(jīng)濟(jì)損失。在發(fā)酵劑的研發(fā)領(lǐng)域，Spus與他的團(tuán)隊(duì)試圖開發(fā)一種具有高應(yīng)變抗性的復(fù)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(jìn)行相應(yīng)的譜系分析并觀察其對噬菌體侵染作用的應(yīng)答反應(yīng)，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(yīng)變抗性開發(fā)出的復(fù)合發(fā)酵劑，在應(yīng)對侵染中可以產(chǎn)生優(yōu)勢互補(bǔ)的作用，為進(jìn)一步開發(fā)出噬菌體污染抗性發(fā)酵劑創(chuàng)造了條件?；谶@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(yīng)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(xì)胞碎片“捕撈”噬菌體的膜過濾手段

目前在乳品工業(yè)中，應(yīng)對噬菌體污染時(shí)仍然以預(yù)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(dòng)。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(jìn)入人們的視線，Samtlebe與他的團(tuán)隊(duì)在2015年—2019年的研究中都致力于改進(jìn)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(xì)菌前的吸附作用，在侵染細(xì)菌的吸附期將一些通過特殊破碎處理的細(xì)胞碎片投入混合體系，對噬菌體進(jìn)行“釣魚”，當(dāng)噬菌體與細(xì)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(jìn)行“捕撈”，這樣就實(shí)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(yīng)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(jià)值。

4 結(jié)語

隨著噬菌體—宿主相互作用研究的不斷推進(jìn)，我們對噬菌體侵染細(xì)菌的機(jī)理愈發(fā)了解，根據(jù)侵染過程中的規(guī)律，許多設(shè)計(jì)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(guān)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(dòng)為主動(dòng)的轉(zhuǎn)機(jī)。

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