群體感應(yīng)調(diào)控乳酸菌生物膜環(huán)境脅迫應(yīng)激機(jī)制研究進(jìn)展

孔振楊 季小康 趙傳萍 姚斯萌 盛林霞 姚沛琳

摘 要：乳酸菌對(duì)發(fā)酵食品質(zhì)量的形成和安全意義重大，是發(fā)酵食品生產(chǎn)過(guò)程中的主要微生物之一。乳酸菌在發(fā)酵過(guò)程中受到多種環(huán)境脅迫的影響，而群體感應(yīng)（quorum sensing，QS）系統(tǒng)能夠介導(dǎo)細(xì)菌生物膜的形成，從而提高其環(huán)境耐受性。LuxS /AI-2介導(dǎo)的群體感應(yīng)系統(tǒng)在特定環(huán)境下調(diào)控乳酸菌的AI-2的活性和luxS的轉(zhuǎn)錄水平，如高鹽、高酸等。主要對(duì)乳酸菌群體感應(yīng)系統(tǒng)及其分類，群體感應(yīng)調(diào)控乳酸菌環(huán)境脅迫應(yīng)激機(jī)制進(jìn)行了綜述，并展望了今后的研究方向，以供發(fā)酵食品質(zhì)量及其質(zhì)量安全控制的乳酸菌群感調(diào)控時(shí)參考。

關(guān)鍵詞：乳酸菌；群體感應(yīng)；環(huán)境脅迫；發(fā)酵食品

乳酸菌是革蘭氏染色陽(yáng)性菌，因其安全性和益生效果在食品工業(yè)上應(yīng)用更廣泛。目前已報(bào)道其有益生理功能有抑制致病微生物生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)腸道菌群、改善消化系統(tǒng)癥狀等。乳酸菌的抗逆特性在許多生產(chǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景中都具有重要意義。細(xì)菌為了抵御外界的不良環(huán)境，往往以生物膜的狀態(tài)存在。微生物分泌到胞外的物質(zhì)使細(xì)胞間相互連結(jié)的同時(shí)為微生物提供了天然屏障，因此細(xì)菌生物膜狀態(tài)下相較浮游態(tài)具有更強(qiáng)的耐藥性、耐熱性等性能[1]。

一、乳酸菌群體感應(yīng)及其分類

群體感應(yīng)是指細(xì)菌通過(guò)自誘導(dǎo)物相互聯(lián)系，調(diào)節(jié)其群體行為的一種感應(yīng)現(xiàn)象。細(xì)菌通過(guò)向四周環(huán)境釋放某種信號(hào)分子，并感知該信號(hào)分子的濃度變化進(jìn)行調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，對(duì)相關(guān)的行為性狀調(diào)控。群體感應(yīng)系統(tǒng)由自誘導(dǎo)劑、感應(yīng)蛋白和下游調(diào)控蛋白組成。

（一）寡肽類介導(dǎo)的乳酸菌QS系統(tǒng)

革蘭氏陽(yáng)性菌通過(guò)AIPs誘導(dǎo)分子進(jìn)行-種內(nèi)信息交流，當(dāng)胞外AIPs達(dá)到濃度閾值時(shí)，TCS系統(tǒng)被激活，從而調(diào)控目標(biāo)基因的表達(dá)。寡肽類介導(dǎo)的QS系統(tǒng)可調(diào)控乳酸菌的生理特性如，在食品中的存活率、定殖在腸道中的能力以及細(xì)菌素合成等 [2]。

目前已證實(shí)由 QS系統(tǒng)調(diào)節(jié)部分 I 型和大部分 II 型兩類細(xì)菌素的生物合成，主要通過(guò)三組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)的AIP來(lái)控制。Ge 等從中國(guó)酸菜發(fā)酵液中分離出一種副干酪乳桿菌 HD1-7能夠產(chǎn)生Paracin1.7型細(xì)菌素。實(shí)驗(yàn)顯示，細(xì)菌素Paracin1.7的產(chǎn)生與菌株密度有很大的聯(lián)系，HD1-7菌與其他細(xì)菌共培養(yǎng)時(shí)產(chǎn)生的細(xì)菌素更多。此外，枯草芽孢桿菌與其他測(cè)試菌株相比，誘導(dǎo)菌株HD1-7 產(chǎn)生Paracin1.7 型細(xì)菌素的能力更強(qiáng)。

（二）AI-2介導(dǎo)的乳酸菌的QS系統(tǒng)

種間信號(hào)交流是不同種細(xì)菌細(xì)胞間的信號(hào)通訊方式，由AI-2 和其生物合成關(guān)鍵酶LuxS組成的QS系統(tǒng)（ LuxS /AI-2 系統(tǒng)），以AI-2作為信號(hào)分子感知環(huán)境變化，介導(dǎo)G+和G-細(xì)菌的種間細(xì)菌交流。

Lebeer等研究發(fā)現(xiàn)，鼠李糖乳桿菌luxS基因缺失突變株形成生物膜的能力下降，而AI-2前體分子或野生型菌株外源加入后，突變株的生物膜形成可得到部分彌補(bǔ)，但無(wú)法恢復(fù)原狀。Deng Zhaoxi等將鼠李糖乳桿菌luxS基因敲除后，添加人工合成的 AI-2 可以部分彌補(bǔ)變異株的缺陷，也得到了生物膜形成、胞外多糖分泌和粘附等受損害的類似結(jié)果。

在群體感應(yīng)LuxS/AI-2系統(tǒng)中，除了luxS基因，pfs基因也是合成信號(hào)分子AI-2的關(guān)鍵基因。pfs基因編碼S-腺苷高半胱氨酸核苷酸酶（Pfs）可將S-腺苷高半胱氨酸（SAH）水解成S-核苷高半胱氨酸（SRH）和腺嘌呤，在LuxS蛋白作用下，SRH繼續(xù)參與AI-2的合成。Sun等的研究也表明，luxS表達(dá)于大腸桿菌可以恢復(fù)AI-2合成[3]。

二、環(huán)境脅迫下群體感應(yīng)參與的乳酸菌調(diào)控機(jī)制

外界環(huán)境變化會(huì)觸發(fā)乳酸菌的群體感應(yīng)從而調(diào)控生物膜的形成，也增強(qiáng)菌體的抗逆性。L. reuteri 菌體在pH為2.7的情況下分別處理5和15 分鐘后，其中l(wèi)uxS基因在酸脅迫作用下，表達(dá)水平分別上調(diào)2～3倍和3～4倍，產(chǎn)生更多的信號(hào)蛋白。Lin等從中國(guó)傳統(tǒng)發(fā)酵肉制品中分離出3種乳酸菌，通過(guò)qRT-PCR分析，這3株菌的鹽脅迫應(yīng)激反應(yīng)均由LuxS /AI-2 QS 系統(tǒng)調(diào)控。在高鹽脅迫下所有菌株luxS基因的轉(zhuǎn)錄水平與鹽濃度呈正比，基因表達(dá)均明顯上調(diào)。在舊金山乳桿菌中，外源添加AI-2信號(hào)分子可提高菌株的膽鹽耐受性。luxS基因過(guò)表達(dá)增強(qiáng)了菌株的耐熱能力，也促進(jìn)L. paraplantarum L-ZS9信號(hào)分子AI-2產(chǎn)生。

乳酸菌的抗逆性以及正常的生理功能發(fā)生變化，與 luxS基因的缺失存在關(guān)聯(lián)。Jia等考察了植物乳桿菌KLDS1.0391的抗逆性，luxS基因的缺失顯著影響了菌株耐酸性和膽鹽耐受性。Lebeer 等胃汁中L. rhamnosus GG與其luxS基因突變株的生存率的比較證實(shí)了luxS基因能提高菌株對(duì)酸脅迫的耐受性，從而保持較高的生存率。

三、多組學(xué)在乳酸菌生物膜形成調(diào)控機(jī)制中的應(yīng)用

乳酸菌從浮游態(tài)到聚集形成生物膜的各個(gè)步驟中涉及到的調(diào)控機(jī)制非常復(fù)雜，需要從整體上加以研究。Yang等[10]利用全基因組測(cè)序分析了Lactobacillus citrem 37中合成AI-2的關(guān)鍵基因，Met K、DNMT1、pfs、lux S、mmu M這五個(gè)基因參與了AI-2的合成，其中發(fā)揮重要作用的是pfs、luxS基因。此外，參與生物被膜及群體感應(yīng)相關(guān)的信號(hào)通路可能還有碳代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)等相關(guān)基因有26個(gè)基因。

四、結(jié)語(yǔ)與展望

生物膜是區(qū)別于浮游生活方式的一種特定微生物生活方式。生活方式的改變基于他們基因表達(dá)的改變和新陳代謝的改變。因此，對(duì)生物膜形成機(jī)制的研究將有助于理解微生物的基因轉(zhuǎn)錄和代謝的全局調(diào)控與被膜態(tài)生活方式之間的關(guān)系，對(duì)生物膜整體形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)也有助于生物膜的控制和應(yīng)用。希望未來(lái)在食品工業(yè)中建立具有科學(xué)背景的生物膜的控制和應(yīng)用技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)自然會(huì)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域以及其他各個(gè)行業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸文偉，林炳諭，尹一婷，等.雙歧桿菌生物膜成膜規(guī)律及特性研究[J].中國(guó)食品學(xué)報(bào)，2017，17（12）：42-49．

[2] 吳旭光，王紅，徐一凡，等.豬源腸外致病性大腸埃希氏菌的生物膜形成能力及耐藥性[J].微生物學(xué)通報(bào)，2020，47（1）：162-171．

[3] 王志航，馮雪，李樹(shù)仁．細(xì)菌群體感應(yīng)通訊系統(tǒng)淬滅及應(yīng)用[J].藥物生物技術(shù)，2018，25（ 5） ： 70-74.