詹森氏菌合成紫色桿菌素研究進(jìn)展及應(yīng)用

王 奕，宮春杰

(湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院，湖北 武漢 430068)

詹森氏菌(Janthinobacterium)屬革蘭氏陰性菌，在地球上廣泛存在。該屬細(xì)菌已經(jīng)在各類生態(tài)環(huán)境中被篩選發(fā)現(xiàn)，如南極冰雪、寒冷的阿拉斯加、冰川湖、原始地下水和兩棲動物的皮膚[1]。詹森氏菌屬的細(xì)菌具有多種能量代謝能力，并且能承受寒冷、紫外線及其它極端環(huán)境壓力。

能夠合成紫色桿菌素(violacein)是詹森氏菌屬的最常見特征，紫色桿菌素于19世紀(jì)初在色素桿菌(Chromobacteriumviolaceum)中被發(fā)現(xiàn)以來，相繼在多種細(xì)菌內(nèi)被發(fā)現(xiàn)報道。紫色桿菌素是一種由吲哚衍生的紫色色素，由數(shù)量有限的革蘭氏陰性菌產(chǎn)生，如色素桿菌和詹森氏菌(Janthinobacteriumlividum)。近年來也有詹森氏菌屬中部分產(chǎn)生其他色素和無色素細(xì)菌的報道，如從錫金喜馬拉雅山冰川水樣品中分離出的淺粉色菌株ERGS5：01，經(jīng)16S rRNA基因序列鑒定屬于詹森氏菌，但是缺乏典型的紫色色素生產(chǎn)能力[2]。不同的研究表明，紫色桿菌素具有多方面的生物活性，包括抗腫瘤作用、抗菌性、抗病毒性、抗原生動物活性、免疫調(diào)節(jié)和止痛等[3]。紫色桿菌素具有相當(dāng)大的研究潛力，可能是開發(fā)臨床有應(yīng)用價值藥物的一大資源[4]。

1 紫色桿菌素生物學(xué)功能

1.1 抗菌活性

科學(xué)家對紫色桿菌素的抗菌功能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明紫色桿菌素的粗提物對革蘭氏陽性菌，如：典型致病菌金黃色葡萄球菌有明顯抑制作用，對革蘭氏陰性菌則抑制作用較小，使用純紫色桿菌素和純提取物及其混合物處理發(fā)現(xiàn)抗菌效果無顯著變化。因紫色桿菌素可以抑制一些植物真菌病原菌，可以將其用作真菌抑制劑[5]。兩棲類動物真菌病原菌壺菌(Batrachochytriumdendrobatidis)可引起的一種稱作壺菌病的致命皮膚病。從幾種兩棲動物的皮膚中分離得到詹森氏菌，產(chǎn)生抗真菌代謝產(chǎn)物紫色桿菌素，該色素對壺菌有一定抑制作用。Matthew等將詹森氏菌添加給蠑螈導(dǎo)致其皮膚上紫色桿菌素濃度顯著增加，紫色桿菌素濃度與暴露在壺菌下的存活個體數(shù)量密切相關(guān)，但詹森氏菌并不是其皮膚上唯一的紫色桿菌素生產(chǎn)者[9]。對聯(lián)合抑制壺菌的研究更有利于選擇有益菌株對兩棲類動物進(jìn)行保護(hù)，詹森氏菌與某些菌在抑制壺菌時效果呈現(xiàn)加和性，如低濃度的詹森氏菌與中等濃度的芽孢桿菌組合[10]。

1.2 抗腫瘤活性

紫色桿菌素可以通過抑制乳腺癌前細(xì)胞分泌遷移趨化因子(CXCL12)，來抵抗腫瘤細(xì)胞的遷移[6]。還可以通過抑制細(xì)胞生長并誘導(dǎo)細(xì)胞自噬和凋亡的作用方式，在體內(nèi)或者體外抑制頭頸部腫瘤細(xì)胞的增長[3]。此外，能夠較大程度地抑制肺癌細(xì)胞和腦癌細(xì)胞腫瘤細(xì)胞系的增殖能力，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡[7]。這些研究表明，紫色桿菌素可以通過不同的作用機制來發(fā)揮其抗腫瘤作用。但是，迄今為止具有抗腫瘤活性及用于抗腫瘤活性研究的紫色桿菌素大多被發(fā)現(xiàn)來源于色素桿菌。

1.3 抗病毒活性

紫色桿菌素包含10%脫氧紫色桿菌素，對單純皰疹病毒(herpes simplexvirus)和脊髓灰質(zhì)炎病毒(polioviruses)有一定抑制作用。0.25μg/mL的紫色桿菌素對單純性皰疹病毒有62%的抑制性，濃度為0.063μg/mL的紫色桿菌素對脊髓灰質(zhì)炎病毒有56%的抑制性[8]。也有不同的實驗結(jié)果顯示，更高濃度(0.312～1.25μmol/L)的紫色桿菌素對HSV-1有微弱的抑制作用。紫色桿菌素的濃度-反應(yīng)關(guān)系表明，紫色桿菌素的細(xì)胞毒性隨其濃度的增加而逐漸增加。制備含紫色桿菌素的脂質(zhì)體，從而提高其生物活性，Andrighetti-Fr?hner等人的初步試驗結(jié)果顯示，其對HSV-1的抗病毒活性增加[8]。

1.4 抗原生動物活性

一些學(xué)者的研究結(jié)果表明，紫色桿菌素具有殺原生動物中錐蟲作用。Elizabeth等人通過體外實驗測定紫色桿菌素和脫氧紫色桿菌素對瘧原蟲、錐蟲和哺乳動物細(xì)胞的生物活性，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然脫氧紫色桿菌素對寄生蟲的抑制活性低于紫色桿菌素，但是其對哺乳動物細(xì)胞的毒性與紫色桿菌素相比微不足道，即脫氧紫色桿菌素對人體細(xì)胞的毒性較低。所以脫氧紫色桿菌素可能是開發(fā)新型抗寄生蟲藥物的一個有用起始化合物[4]。

2 詹森氏菌生物大分子

隨著測序技術(shù)的不斷提高，人們越來越重視對詹森氏菌生產(chǎn)的生物功能分子進(jìn)行研究，特別是從分子水平對其進(jìn)行研究，如通過測定其生理生化特征及核酸中的G+C含量比對菌株進(jìn)行分類，判斷不同菌株間的親緣關(guān)系，通過研究特殊的基因發(fā)現(xiàn)該基因發(fā)揮的作用等。

2.1 基因組研究

目前，越來越多詹森氏菌屬的菌株全基因組測序工作被完成，詹森氏菌蘊含的生物信息越來越多被呈現(xiàn)出來。大多數(shù)詹森氏菌屬菌的全基因組大小約為6,000,000至7,000,000bp，G+C含量為62%至63%左右[1,11-14]。詹森氏菌HH01(Janthinobacteriumsp. HH01) 的基因組大小為7,100,000bp，是目前已知較大的詹森氏菌的基因組[14]。Kumar等人測得的詹森氏菌ERGS5:01 (JanthinobacteriumlividumERGS5:01)的基因組大小為5,168,928 bp，是已知較小的詹森氏菌的基因組[2]。詹森氏菌的最大特征是產(chǎn)紫色桿菌素，紫色桿菌素的產(chǎn)生與紫色桿菌素操縱子內(nèi)的五個基因相關(guān)，這五個基因分別是A、B、C、D和E(VioA、VioB、VioC、VioD和VioE)[5]，此外，與傳感激酶jqsS，反應(yīng)調(diào)節(jié)因子jqsR和自動誘導(dǎo)合酶jqsA的功能密不可分[15]。也有詹森氏菌屬的菌不產(chǎn)生該菌屬典型的紫色色素，如詹森氏菌BJB412(Janthinobacteriumsp. BJB412)，產(chǎn)生的是一種紅色色素。在該菌的生物合成過程中，沒有觀察到任何的紫色桿菌素生物合成操縱子序列，而是發(fā)現(xiàn)了涉及靈菌紅素生產(chǎn)的基因序列。并且BJB412的G+C含量為67.16%，遠(yuǎn)高于大多數(shù)的詹森氏菌屬菌的G+C含量[11]。

除編碼生產(chǎn)紫色桿菌素的基因，詹森氏菌具有多種其它生物活性物質(zhì)及功能的編碼基因，如細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)節(jié)基因jqsA, qseC和qseS[16]。Cho等人測定的詹森氏菌PAMC 27463(JanthinobacteriumsvalbardensisPAMC 27463)的基因組編碼了一氧化氮還原酶，顯示有幾種酶參與了反硝化過程，經(jīng)過一系列過程將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為一氧化氮[12]。詹森氏菌MTR(JanthinobacteriumlividumMTR)中有參與碳循環(huán)固定(暗途徑)的基因、乙醛酸循環(huán)的整套編碼基因、以及大量編碼硝酸鹽、磺酸鹽、碳酸氫鹽運輸系統(tǒng)和鐵代謝的基因[13]。

2.2 適冷蛋白酶

適冷蛋白酶是一種水解酶，可以分解蛋白質(zhì)和多肽的肽鍵。適冷蛋白酶最適反應(yīng)度較低，有助于降低與熱處理有關(guān)的能量需求，被廣泛應(yīng)用于皮革加工、食品生產(chǎn)、環(huán)境生物修復(fù)等工業(yè)領(lǐng)域[17]。

冷休克蛋白質(zhì)的積累及其相應(yīng)基因的調(diào)控是中低溫菌對低溫的適應(yīng)性反應(yīng)之一。Nazia等人分析了南極耐冷細(xì)菌詹森氏菌Ant 5-2(Janthinobacteriumsp. Ant5-2)的生長特性及功能，發(fā)現(xiàn)Ant 5-2 CpsD通過域交換形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)，以及具有ss-DNA結(jié)合活性，這是長期適應(yīng)南極極端寒冷環(huán)境所必需的[18]。

Kim等人用陰離子交換色譜法從詹森氏菌PAMC 26541(JanthinobacteriumlividumPAMC 26541) 中分離純化出了一種新的適冷蛋白酶，并對其進(jìn)行了分析。利用N端序列和部分基因序列克隆了該蛋白酶的編碼基因并在大腸桿菌中表達(dá)。純化后得到的蛋白酶最適pH值為7.0～7.5。在pH值6.0～9.6的范圍內(nèi)仍保持活性，在乙二胺四乙酸(EDTA)的存在下也保持90%以上的初活性，可能適合于洗滌劑和食品加工等生物技術(shù)應(yīng)用[17]。

2.3 NAD-谷氨酸脫氫酶

3. 詹森氏菌應(yīng)用

谷氨酸脫氫酶以NAD或NADP作為輔酶催化戊二酸和氨的可逆氧化脫氨反應(yīng)。Kawakami等人從詹森氏菌Jl-GDH(JanthinobacteriumlividumJl-GDH)中發(fā)現(xiàn)了一個非常大必須NAD-谷氨酸脫氫酶，其亞基大約為170 kDa。對這個超大型催化劑的催化活性進(jìn)行研究并嘗試制造這種酶的晶體，以通過結(jié)構(gòu)分析闡明催化后和活化的詳細(xì)機理[19]。

3.1 醫(yī)療

抗生素的應(yīng)用挽救了無數(shù)生命，但是隨著抗生素使用的增多，越來越多的耐藥性病原體甚至多重耐藥性菌株出現(xiàn)。因此，改進(jìn)或制定新的抗生素治療策略和研發(fā)新的抗生素尤為重要。棲息地和天然化合物是新型抗生素的重要來源，南極洲已被證明是一個新的微生物物種的豐富來源，具有較大的應(yīng)用潛力。Andreea等人從南極雪地中分離得到的一株詹森氏菌亞種ROICE173 (JanthinobacteriumlividumROICE173)，并研究了其粗提物對200株臨床和環(huán)境來源的多重耐藥菌株的抑制作用，結(jié)果顯示對其中79株有明顯抑菌作用，25株有一定抑制作用，96株無抑制作用，其中對多種耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、腸球菌和腸道菌有很好的抑制作用。另外，紫色桿菌素和卡那霉素等抗生素具有協(xié)同增效作用。也有研究表明，將納米顆粒與紫色桿菌素結(jié)合在一起對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的效果比紫色桿菌素單獨應(yīng)用的效果明顯提高[20]。

詹森氏菌所產(chǎn)生的紫色桿菌素所具有抗腫瘤活性引起科學(xué)家的極大興趣。Mojib 等人的研究表明，詹森氏菌Ant5-2(Janthinobacteriumsp. Ant5-2)產(chǎn)生的紫色桿菌素可以通過控制促凋亡蛋白BAX的表達(dá)和抑制抑制凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)等生理機制明顯增加小鼠體內(nèi)纖維肉瘤細(xì)胞的凋亡[21]。

因產(chǎn)物具有抗菌活性，詹森氏菌屬的菌株大有希望用來開發(fā)新型抗生素并應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。除此之外，其抗腫瘤活性、抗?jié)兒椭雇吹忍匦栽黾悠鋺?yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的可能性。

3.2 生物膜生產(chǎn)

生物膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是指由附著在生命體或無生命體表面的微生物群體組成，并相互嵌入由多糖、蛋白質(zhì)、細(xì)胞外DNA等大分子胞外聚合物基質(zhì)[22]。生物膜在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域均有應(yīng)用，借助其選擇透過性對水進(jìn)行過濾等進(jìn)化處理、改良農(nóng)作物從而使農(nóng)作物具有抗凍等優(yōu)良性狀、用人工合成膜材料代替人體病變器官如進(jìn)行血液透析等。

詹森氏菌屬的菌株也可以生產(chǎn)生物膜，其生物膜的生產(chǎn)受碳源的控制，葡萄糖抑制生物膜的產(chǎn)生，甘油則促進(jìn)生物膜的產(chǎn)生。并且生物膜和紫色桿菌素的產(chǎn)生可以通過一個共同的代謝途徑來調(diào)節(jié)，可以代表詹森氏菌對環(huán)境壓力的一種反應(yīng)，是其生存的一個關(guān)鍵因素[23]。

3.3 其他領(lǐng)域

詹森氏菌屬的菌種在其他方面也有研究及應(yīng)用意義。詹森氏菌在兩棲類動物中表現(xiàn)出抗真菌活性，也可能在保護(hù)兩棲動物免受寄生蟲引起的皮膚傳染病方面發(fā)揮作用[24]；其產(chǎn)物紫色桿菌素也可以用作真菌抑制劑[5]。

詹森氏菌是降解細(xì)菌的代表之一，在環(huán)境污染的生物修復(fù)中具有潛在的應(yīng)用價值[25]。聚-β-羥丁酸(PHB)是一種生物合成聚合物，因其物理性質(zhì)與傳統(tǒng)石油基塑料非常相似，可作為生物降解塑料開發(fā)利用。Cho等人發(fā)現(xiàn)詹森氏菌PAMC 27463基因組中含有PHB降解基因，預(yù)測該菌株可能以PHB作為碳源進(jìn)行生長代謝活動[12]。

Kanelli等人經(jīng)過同步發(fā)酵和染色、發(fā)酵后的超聲波細(xì)菌培養(yǎng)和含紫色桿菌素的無細(xì)胞提取物對織物進(jìn)行染色，證明詹森氏菌的培養(yǎng)可以成功地用于紫色桿菌素的生產(chǎn)和染色織物的生產(chǎn)，使織物具有抗菌性能，而不需要使用有機溶劑[26]，這將極大地減少紡織業(yè)對環(huán)境污染，并降低對人體健康的威脅。

Mo等人從松花江流域分離到一株詹森氏菌M-11(Janthinobacteriumsp. M-11)，該菌株在2 ℃的低營養(yǎng)條件下表現(xiàn)出很強的氮代謝能力，在低溫微生物水污染處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[27]。

4.總結(jié)

詹森氏菌分泌的產(chǎn)物-紫色桿菌素具有抗菌、抗腫瘤等多種生物活性，并且在臨床耐藥菌株的抑制實驗及腫瘤細(xì)胞的抑制等方面的功能得到了證實。詹森氏菌屬的菌株在醫(yī)療、環(huán)保及科研等多個領(lǐng)域都具有研究意義和潛在的應(yīng)用價值，對其進(jìn)行深入研究具有一定的意義。