伊短菌素A標(biāo)品的制備及HPLC定量分析

張翠央?杜杰?陳武?龍青山?唐瀅?黃軍?雷平?郭照輝?劉清術(shù)

摘要：目的 制備伊短菌素A標(biāo)品并建立其定量分析方法。方法 發(fā)酵液經(jīng)過預(yù)處理后，采用陽離子吸附樹脂富集和反相高效液相色譜（RP-HPLC）分離純化，制備得到伊短菌素A。通過質(zhì)譜、核磁共振譜等確證化學(xué)結(jié)構(gòu)，高效液相色譜法測定樣品純度。定量分析方法采用XAqua C18（250 mm×4.6 mm， 5 μm）色譜柱，流動(dòng)相：0.1% TFA水溶液-甲醇（90：10，V/V）；流速：1 mL/min，檢測波長：272 nm，柱溫：35℃，進(jìn)樣量：20 μL。結(jié)果 制備了高純度的伊短菌素A標(biāo)品。優(yōu)化定量條件下伊短菌素A在15～1200 mg/L范圍內(nèi)濃度與峰面積線性關(guān)系良好；加標(biāo)回收率在92.61%～107.33%；測定峰面積的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.163566%（n=6），<1.0%；檢測限和定量限分別為16.74 ng和55.79 ng。結(jié)論 本文所建立的制備方法操作簡單，易放大生產(chǎn)。定量方法簡單快速，準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性良好。適用于伊短菌素A的定量分析。

關(guān)鍵詞：伊短菌素A；短短芽胞桿菌；高效液相分析法

中圖分類號(hào)：R978.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Preparation of edeine A standard and its quantitative determination by HPLC

Zhang Cui-yang1，2， Du Jie1，2， Chen Wu3， Long Qing-shan1，2， Tang Ying1，2， Huang Jun1，2， Lei Ping1，2，

Guo Zhao-hui1，2， and Liu Qing-shu1，2

（1 Hunan Institute of Microbiology， Changsha 410009; 2 Hunan Province Engineering Research Center for Agricultural Microbiology Application， Changsha 410009; 3 College of Plant Protection Hunan Agricultural University， Changsha 410125）

Abstract Objective To prepare the reference substance of edeine A and establish its quantitative analysis method. Methods After the fermentation broth was pretreated， edeine A was enriched by cationic adsorbent resin and separated and purified by reversed-phase high performance liquid chromatography（RP-HPLC）. The chemical structure was confirmed by MS and NMR， and the purity of the sample was determined by HPLC. The quantitative analysis was performed on an Agilent Zorbax Eclipse C18 column （250 mm×4.6 mm， 5 μm） with mobile phase consisting of 0.1% TFA and methanol （90：10， V/V）. The flow rate was 1 mL/min， the detection wavelength was set at 272 nm， the column temperature was 35℃， and the injection volume was 20 μL. Results The high-purity edine A was prepared. Under the optimized conditions， there was good linear relationship between the concentration and the peak area of edeine A in the range of 15～1200 mg/L. The average recoveries at three levels ranged from 92.61% to 107.33%. The relative standard deviations （RSDs） of peak area was 0.163566% （n=6）， < 1.0%. The limit of detection and the limit of quantification of edeine A were 16.74 ng and 55.79 ng respectively. Conclusion? The method is simple and easy to scale up. The results of the experiments have demonstrated that the established method is rapid and simple with good accuracy and reproducibility. The method is suitable for the quantitative analysis of edeine A.

Key words Edeine A; Brevibacillus brevis; High performance liquid analysis

伊短菌素（edeine）是由短短芽胞桿菌（Brevibacillus brevis）產(chǎn)生的多組分肽類抗生素，1959年edeine從Br. brevis Vm4中被發(fā)現(xiàn)[1]。Edeine是一種廣譜的抗生素，對細(xì)菌、真菌、支原體和腫瘤細(xì)胞均具有抑制活性，還具有免疫調(diào)節(jié)活性[2-4]，且活性較穩(wěn)定[5]。Edeine A是edeine其中一種活性組分，包括活性異構(gòu)體A1和非活性異構(gòu)體A2[6]。Edeine A通過非核糖體肽合成酶（non-ribosomal peptide synthetases， NRPS）途徑合成[7]，分子內(nèi)含有5個(gè)氨基酸殘基和1個(gè)多胺結(jié)構(gòu)。研究顯示edeine A的抗菌作用方式為濃度依賴型。低濃度時(shí)（<15 mg/L）可逆性地抑制DNA聚合酶II和III從而抑制DNA合成，但不影響蛋白質(zhì)的合成，表現(xiàn)為抑菌活性[8]；在高濃度（>150 mg/L）時(shí)，edeine與fMet-tRNA競爭核糖體小亞基上的P位點(diǎn)，抑制蛋白質(zhì)起始翻譯，進(jìn)而抑制蛋白合成，表現(xiàn)為殺菌活性[9-11]。基于此機(jī)理，edeine已經(jīng)被廣泛作為轉(zhuǎn)錄抑制劑用于研究核糖體功能和蛋白合成[12]。

次級(jí)代謝產(chǎn)物的含量對研究代謝產(chǎn)物的性質(zhì)以及微生物的生物學(xué)和生化特性至關(guān)重要。Edeine A在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)藥領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，但其在野生菌株中產(chǎn)量較低，難以提純分離。本課題組從植物根際分離到一株產(chǎn)edeine A的生防菌株B. brevis X23，目前已經(jīng)鑒定并克隆了其生物合成基因簇，并通過對基因簇的遺傳改造以及培養(yǎng)基優(yōu)化，大幅提高了edeine A的產(chǎn)量[13-15]，但由于目前市場上沒有商品化的edeine A標(biāo)準(zhǔn)品，只能確定提高倍數(shù)，無法對工程菌的產(chǎn)量進(jìn)行精確定量。Johnson等[16]采用LC-UV-LTQ-MS對B. fortis NRS-1210內(nèi)的抗真菌活性成分進(jìn)行分析，利用edeine結(jié)構(gòu)類似物-酪胺在272 nm處的信號(hào)作為響應(yīng)曲線，用于預(yù)估edeine的含量，顯然這種方法具有一定的局限性。這不僅限制了edeine的藥理藥效學(xué)研究，也限制了其在農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域的開發(fā)。本論文基于edeine A的分子結(jié)構(gòu)特性，建立了簡單有效的分離純化方法，獲得了高純度的edeine A，并驗(yàn)證了簡單高效的HPLC定量分析方法，為edeine A的產(chǎn)量進(jìn)一步提升及產(chǎn)品開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器

安捷倫1260高效液相色譜儀（美國Agilent公司），Waters制備型高效液相色譜儀（美國Waters公司），Eclipse XDB- C18色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm；Agilent），色譜柱XAqua C18（4.6 mm×250 mm， 5 μm，華譜新創(chuàng)科技有限公司）；核磁共振儀（600MHz，Bruker BioSpin公司）；高通量Q-TOF液質(zhì)聯(lián)用儀（美國Agilent公司）；Milli-Q純水機(jī)（美國Millipore公司）；IKA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（德國IKA公司），電子天平（瑞士Mettler-Toledo公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

甲醇（色譜純，美國TEDIA公司）；乙腈（色譜純，美國TEDIA公司）；三氟乙酸（TFA，色譜純，美國TEDIA公司）；甲酸（色譜純，天津科密歐化學(xué)試劑公司）；Milli.Q水。

1.3 實(shí)驗(yàn)菌株

短短芽胞桿菌X23（Br. brevis X23）菌株為湖南省農(nóng)業(yè)大學(xué)植保學(xué)院分離并保存。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 Edeine A樣品的制備

Edeine A的分離純化參考Westman等[6]報(bào)道的方法進(jìn)行，并做了部分修改和優(yōu)化。短短芽胞桿菌X23菌株斜面培養(yǎng)成熟后，接種于種子培養(yǎng)基，置于28℃、180 r/min搖床，培養(yǎng)24 h；種子液再轉(zhuǎn)接入30 L發(fā)酵罐，采用GNB液體培養(yǎng)基（葡萄糖10 g，蛋白胨10 g，牛肉膏3 g，去離子水1000 mL）培養(yǎng)，接種量為10 %，28℃、180 r/min，培養(yǎng)48 h。發(fā)酵液在發(fā)酵罐內(nèi)直接經(jīng)預(yù)處理后排出，過濾除去菌體和雜蛋白，參考文獻(xiàn)方法[17]，用Workbeads 100S陽離子交換樹脂富集后，用稀堿水洗脫，收集洗脫液，濃縮至10 mL。樣品過濾后經(jīng)UPLC液相制備（XBridge Pre C18（19 mm×150 mm， 5 μm）；甲醇-0.1%TFA水溶液梯度洗脫（0～10 min，2%～10%甲醇），流速10 mL/min，檢測波長272 nm）。粗品經(jīng)Agilent HPLC色譜制備（Eclipse XDB-C18（4.6 mm×250 mm， 5 μm），甲醇-0.1%TFA水溶液梯度洗脫（0～20 min，0～10%甲醇）；流速1.0 mL/min，檢測波長272 nm）純化后得白色粉末，具有強(qiáng)吸濕性，凍干后密閉低溫保存。

2.2 Edeine A的HPLC定量分析

2.2.1 色譜條件考察

對edeine A的HPLC色譜條件進(jìn)行考察，主要包括其最大吸收波長，適宜的流動(dòng)相、流速、色譜柱以及柱溫。根據(jù)考察結(jié)果確定HPLC定量分析條件。

2.2.2 樣品溶液的配制

精密稱定樣品30 mg，用純水溶解，定容至10 mL，制成30 mg/mL的edeine A貯備液。

分別精密量取edeine A貯備液 5、50、100、200、300和400 μL、于1 mL容量瓶中，水定容至刻度，振搖均勻，即為濃度為15、150、300、600、900和1200 mg/L的系列樣品溶液。

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

精密量取不同濃度的edeine A系列樣品溶液20 μL，分別注入液相色譜儀，記錄各濃度對應(yīng)的峰面積值，以峰面積（Y，mAU×S）對濃度（X，mg/L）進(jìn)行線性回歸。

2.2.4 精密度及加標(biāo)回收率測定

取“2.2.2”項(xiàng)下濃度為300 mg/L edeine A樣品溶液，連續(xù)重復(fù)注入液相色譜儀6次，每次精密量取20 μL，計(jì)算峰面積的RSD。要求6份溶液含量的RSD≤3%，來證實(shí)方法具有良好的精密度。

精密移取2份相同體積（1.00 mL）edeine A樣品溶液（300 mg/L），分別加入0.50和0.20 mL水稀釋，即得200和250 mg/L edeine A樣品溶液。分別精密移取300、250和200 mg/L edeine A樣品溶液各1.00 mL，置于3支盛有相同體積（1.00 mL）edeine A供試品溶液（按標(biāo)曲計(jì)算280.4 mg/L）的試管中，混合均勻，得到3種不同濃度的edeine A加標(biāo)試樣溶液。對每個(gè)濃度的edeine A溶液均平行進(jìn)樣6次，每次精密量取20 μL溶液注入液相色譜儀，記錄峰面積值。要求回收率在80.0%～120.0%之間，以證實(shí)該方法具有良好的準(zhǔn)確度。

3 結(jié)果與分析

3.1 Edeine A樣品的制備及結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

由于缺乏商業(yè)化的edeine A標(biāo)準(zhǔn)品，為建立其定量分析方法，首先要制備edeine A的樣品。通過優(yōu)化方法，將短短芽胞桿菌X23發(fā)酵液經(jīng)過陽離子交換以及兩步HPLC分離純化后，制備得到edeine A樣品，其在HPLC上呈現(xiàn)單一峰。經(jīng)HPLC-DAD峰面積歸一化法分析，純度為99.83%。

為確保分離制備的樣品的準(zhǔn)確性，采用ESI-MS、1H-NMR、13C-NMR等手段對制備得到的edeine A樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，edeine A的分子結(jié)構(gòu)見圖1，結(jié)構(gòu)表征見圖2。用高分辨質(zhì)譜進(jìn)行分析得到m/z為755.4433[M+H]+，質(zhì)譜碎片592.3785、505.3461、419.2984、203.1870和147.0443均與edeine A碎片一致。經(jīng)過數(shù)據(jù)庫比對得到該結(jié)構(gòu)為C33H58N10O10，與edeine A的分子式一致。1H NMR、13C NMR結(jié)果顯示， 1H NMR（600 MHz CDC13）：1.50 （2H， m， Spe-H-6）， 1.68 （2H， m， Spe-H-5）， 1.79 （6H， m， A2ha-CH2-， Spe-H-2， H-3）， 1.91 （2H， t， J=7.2 Hz， Spe-H-7）， 2.55 （2H， m， A2ha-CH2-）， 1.99， 2.89 （2H， dd， J1=5.4 Hz， J2=15.6Hz， A2ha-CH2-）， 2.90 （1H， m， A2ha-C（-NH2）H-）， 3.04 （2H， m， Tyr-CH2-CO-）， 3.05 （2H， m， Spe-H-4）， 3.06 （2H， m， ）， 3.26， 3.47 （1H， m， A2pr-CH-）， 3.35 （1H， m， A2ha-C（-OH）H-）， 3.38 （2H， m， Spe-H-1）， 3.58 （2H， t， J=3.6Hz， Ise-CH2-）， 3.90 （2H， q， J1=J3=4.8Hz， J2=21Hz， A2ha-CH2-CO-）， 4.00 （1H， dd， J=4.8， 9.6Hz， Ise-CH-）， 4.13 （2H， m， A2pr-CH2-）， 4.32 （1H， m， A2ha-CH-）， 4.43 （1H， m， Gly-CH2-）， 4.63 （1H， m， Tyr-CH-）， 6.80 （2H， d， J=8.4Hz， Tyr-Ph-H）， 7.30 （2H， d， J=8.4 Hz， Tyr-Ph-H）。綜上， ESI-MS、1H NMR（600 MHz， CDC13）、13C-NMR（600 MHz， CDCl3）和COSY結(jié)果，以上數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)報(bào)道一致[6]，故鑒定為edeine A。

3.2 Edeine A樣品的HPLC定量方法

3.2.1 最大吸收波長的確定

將edeine A樣品在190～360 nm波長范圍內(nèi)采用紫外掃描，發(fā)現(xiàn)將272 nm作為檢測波長時(shí)，edeine A有特征吸收峰，且無其他雜質(zhì)干擾，見圖3。因此，選定272 nm作為HPLC定量分析的檢測波長。

3.2.2 流動(dòng)相和流速的選擇

為了確保edeine A及其雜質(zhì)可以分開，分別選擇不同比例和不同pH值的甲醇+水、甲醇+0.1%TFA水溶液、甲醇+0.1%甲酸水溶液、乙腈+水、乙腈+0.1%TFA水溶液、乙腈+0.1%甲酸水溶液等作為流動(dòng)相，對待測樣進(jìn)行分離檢測。洗脫條件為0～5 min，10%有機(jī)相等度洗脫；5～10 min，10%～100%有機(jī)相梯度洗脫。結(jié)果表明，當(dāng)流動(dòng)相為甲醇：0.1%TFA水溶液=10：90 （V/V）等度洗脫時(shí)，edeine A在5 min內(nèi)出峰，且其他水溶性組分均能得到理想的分離且基線平穩(wěn)。因此，選擇甲醇：0.1%TFA水溶液=10：90 （V/V）作為流動(dòng)相。在流速0.8、1.0和1.2 mL/min下進(jìn)行考察，流動(dòng)相在流速1.0 mL/min的條件下，分離度和對稱性均較好，且柱壓低，安全性好（圖4）。

3.2.3 色譜柱的選擇

取適量供試品溶液，在檢測波長272 nm、流動(dòng)相：甲醇：0.1%TFA水溶液=10：90 （V/V）、體積流量1.0 mL/min、進(jìn)樣量20 μL色譜條件下，采用Agilent Eclipse XDB-C18（4.6 mm×250 mm， 5 μm）、XAqua C18（4.6 mm×250 mm， 5μm）色譜柱進(jìn)行考察，結(jié)果表明，運(yùn)用XAqua C18（4.6 mm×250 mm， 5 μm）色譜柱分析edeine A時(shí)，tR從3.27min延長到7.95min，大大增加了其在柱內(nèi)的保留時(shí)長及其與雜質(zhì)之間的分離效果（圖5）。

3.2.4 柱溫的選擇

對供試品溶液在不同柱溫25℃、30℃和35℃下進(jìn)行考察，當(dāng)柱溫為35℃時(shí)，基線穩(wěn)定，對稱性較好。

3.2.5 優(yōu)化獲得的色譜條件

色譜柱XAqua C18（4.6 mm×250 mm， 5 μm）；流動(dòng)相：甲醇：0.1%TFA水溶液=10：90 （V/V）；流速：1.0 mL/min；檢測波長：272 nm；柱溫：35℃；進(jìn)樣量：20 μL。

3.3 方法驗(yàn)證

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

以濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖6），計(jì)算線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)。Edeine A的線性方程為：y=1.0763×C-44.664（r2=0.9962），edeine A在15～1200 mg/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

3.3.2 精密度實(shí)驗(yàn)

精密度實(shí)驗(yàn)用于檢驗(yàn)方法的重復(fù)性是否良好。如表1所示，以300 mg/L的樣品溶液為例，連續(xù)重復(fù)進(jìn)樣6次，所測定的edeine A峰面積的RSD為0.163566%，再現(xiàn)性良好。在兩臺(tái)不同的儀器下測試，峰面積數(shù)值仍然具有良好的重復(fù)性。

3.3.3 加標(biāo)回收率測定

加標(biāo)回收率的測定，是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)常用以自控的一種質(zhì)量控制技術(shù)。加標(biāo)回收率計(jì)算公式為：

P= ×100%

式中：P為加標(biāo)回收率；C0為加標(biāo)用標(biāo)品溶液濃度；C1為試樣濃度；C2為加標(biāo)后試樣濃度；V0為加標(biāo)體積；V1為試樣體積；V2為加標(biāo)后試樣體積，V2=V1+V0。C1和C2均由將峰面積代入標(biāo)準(zhǔn)工作曲線中的線性回歸方程計(jì)算得來。

在供試品溶液中添加80％、100％和120％的edeine A樣品（200、250和300 mg/L），進(jìn)樣20 μL，峰面積值代入到線性公式得出加標(biāo)后試樣濃度。根據(jù)加標(biāo)回收率公式計(jì)算，回收率均在92.61%～107.33%范圍內(nèi)，說明準(zhǔn)確度良好（表2）。

3.3.4 檢測限和定量限

取“2.2.2”項(xiàng)下濃度為300 mg/L樣品溶液適量，用水逐級(jí)稀釋成低濃度，吸取20 μL注入液相色譜儀，記錄色譜圖。以儀器噪音的3倍峰高作為檢測限，進(jìn)樣量為20 μL測得edeine A樣品的檢測限為16.74 ng。以儀器噪音的10倍峰高作為定量限，進(jìn)樣量為20 μL測得edeine A樣品的定量限為55.79 ng。

采用優(yōu)化的高效液相色譜方法進(jìn)行edeine A樣品的定量實(shí)驗(yàn)，方法驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法的準(zhǔn)確度和精確性均良好，且具有較好的重復(fù)性。所制備的樣品可以作為標(biāo)準(zhǔn)品用于edeine A的定量分析。

4 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)通過離心過濾、離子樹脂富集以及反相色譜等技術(shù)，對短短芽胞桿菌X23（Br. brevis X23）發(fā)酵液中的水溶性部分進(jìn)行分離純化，制備的edeine A為白色粉末，極易吸潮，易溶于水，通過HPLC歸一化法測定和ESI-MS、NMR等手段確認(rèn)edeine A的化學(xué)結(jié)構(gòu)。通過高效液相色譜法對edeine A進(jìn)行定量分析，考察了不同的色譜柱、流速、流動(dòng)相和溫度對定量過程的影響，優(yōu)化后的定量方法精確性、準(zhǔn)確度均良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所述方法制備的樣品可以作為標(biāo)準(zhǔn)品用于edeine A的定量分析。

本試驗(yàn)制備edeine A的技術(shù)路線簡單可行，避免了有機(jī)試劑提取等操作，綠色環(huán)保，所需設(shè)備簡單易得，易于在發(fā)酵車間放大，制備的edeine A純度高，性質(zhì)穩(wěn)定。edeine A結(jié)構(gòu)內(nèi)含有多個(gè)極性基團(tuán)，分子極性較大，通常該類物質(zhì)在常規(guī)C18色譜柱上具有極弱的色譜保留能力，常與水溶性雜質(zhì)在死時(shí)間內(nèi)同時(shí)出峰，分離度小而無法準(zhǔn)確定量。以往報(bào)道的文獻(xiàn)中，類似物質(zhì)的定量往往對樣品進(jìn)行預(yù)處理后，針對不同物質(zhì)的性質(zhì)，采用不同的方法進(jìn)行測量。如Zhao等[18]將樣品用HCl水解成氨基酸后，以標(biāo)準(zhǔn)氨基酸混合溶液為外標(biāo)，采用氣質(zhì)聯(lián)用儀測量游離氨基酸的濃度，以此來計(jì)算活性代謝物surfactin（表面活性肽）的含量。Masakazu等[19]對產(chǎn)生gramicidin（短桿菌肽，線性十肽）的Bacillus brevis （ATCC 8185）菌體用乙醇進(jìn)行提取后，經(jīng)過兩次氧化鋁柱進(jìn)行提純，柱層析產(chǎn)物重氮化反應(yīng)后，采用分光光度計(jì)測量660 nm波長處的吸收，用于計(jì)算gramicidin的含量。Sarma等[20]運(yùn)用高效液相法對藥物制劑中的gramicidin的含量進(jìn)行了測定，gramicidin的保留時(shí)間在2.49 min，并進(jìn)行了方法學(xué)驗(yàn)證。但文獻(xiàn)中未涉及樣品的處理及反相柱填料的性質(zhì)等關(guān)鍵信息。

采用本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的方法，省略了復(fù)雜的樣品前處理操作，減少樣品中的損失。選擇的反相極性XAqua C18柱對edeine A的吸附能力較好，分析過程中延長了edeine A保留時(shí)間，提高了目標(biāo)峰的分離度，經(jīng)過優(yōu)化后的HPLC方法可簡單快速地對發(fā)酵液中的edeine A進(jìn)行定量分析。標(biāo)準(zhǔn)品的獲得以及定量分析方法的建立，為edeine A產(chǎn)量的提高以及相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為類似性質(zhì)化合物的定量分析提供了思路。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2021-07-28

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 31772216和No. 32000047）；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 2019JJ40169和No. 2019JJ40119）

作者簡介：張翠央，女，生于1988年，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)槲⑸锎紊x產(chǎn)物開發(fā)與利用研究，E-mail： zhang_cuiyang@163.com

*通訊作者，E-mail： volcanoya@126.com