食品防腐中群体感应及其抑制剂的研究进展

张　璐,桂　萌,李平兰

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)



食品防腐中群体感应及其抑制剂的研究进展

张璐,桂萌,李平兰*

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

食品的腐败变质是食品工业长期以来一直面对的重大问题。近年来研究表明细菌群体感应(quorum sensing,QS)现象与食品腐败变质密切相关。本文简要介绍了群体感应系统和信号分子的分类,重点阐述了群体感应抑制剂(quorum sensing inhibitors,QSIs)的研究进展,并讨论了利用群体感应抑制剂控制食品腐败变质的应用前景。

群体感应,抑制剂,食品腐败变质

每年我国因食品腐败造成的经济损失问题十分严重,其中生鲜食品的腐败变质大都是由微生物活动引起,开发新型防腐剂、开辟防腐新途径成为关注的焦点。近年来国内外研究表明:群体感应(quorum sensing,QS)现象与食品腐败变质过程密切相关,在食品腐败变质过程中发挥重要作用[1]。QS系统参与食品腐败变质的过程,与食品腐败相关的酶系活性受QS系统的调控[2];此外,在变质食品中也检测到若干QS系统的信号分子。因此,阻断腐败微生物QS系统对于调控影响食品腐败变质相关的基因表达具有重要作用,加强对群体感应抑制剂(quorum sensing inhibitors,QSIs)的研究有助于新型防腐剂的研制与开发。

1　群体感应系统概述

1.1群体感应

在特定环境中,细菌产生并向环境中释放信号分子,随着细菌密度的增加信号分子积累到临界值时,信号分子就可以调节菌体中相关基因的表达,进而调控细菌的行为以适应环境变化。这种细菌之间的信息交流称为群体感应[3]。

1.2群体感应系统的分类

革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌存在不同的群体感应系统,依据产生信号分子的不同,细菌的群体感应系统主要分为以下三类,下面对其进行具体阐述。

1.2.1革兰氏阴性菌群体感应系统革兰氏阴性菌QS系统中的信号分子以N-酰基高丝氨酸内酯(N-acylhomoserine lactones,AHLs)及其衍生物为主。近年来研究表明,在导致食品腐败变质的过程中,革兰氏阴性菌是起主要作用的微生物,因此对革兰氏阴性菌群体感应与食品腐败变质关系的探讨更加吸引人们的注意[4]。LuxI/LuxR QS系统是革兰阴性菌中群体感应调节系统的典型代表,研究表明,费氏弧菌的发光现象是LuxI/LuxR QS系统控制的[5]。现已证实,大多数革兰氏阴性菌的QS系统都与费氏弧菌的LuxI/LuxR QS系统相似。LasI/LasR-RhlI/RhIR系统是存在于革兰氏阴性菌中更复杂的调节机制,该系统在铜绿假单胞菌中有发现[6],此外,在铜绿假单胞菌中还发现喹喏酮信号系统以及群体感应辅助系统——GacS/GacA系统[7]。

1.2.2革兰氏阳性菌群体感应系统革兰氏阳性菌QS系统中的信号分子主要是氨基酸和短肽类,常见的是自诱导短肽AIP(autoinducing peptide)。在革兰氏阳性菌QS系统中,调控的机制为依靠寡肽前体形成自诱导剂,在ABC转移酶的协助下分泌到胞外起作用,以调控细菌基因的表达[8],代表菌株如金黄色葡萄球菌;在有些革兰氏阳性菌中,AIP也可以被转运至细胞质中与转录因子结合来调控基因表达,如蜡样芽孢杆菌,成熟的AIP分子在细胞质中与转录因子结合,其复合物可以调节蜡样芽孢杆菌毒力因子的产生[9]。

1.2.3革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌共有的群体感应系统革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌共有的群体感应系统以AI-2类分子为基础。Mok和Bassler等研究发现,哈维氏弧菌的QS系统既能识别AHL分子,也能识别AI-2类分子,其中AI-2类分子存在于革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的QS系统中,参与革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的群体感应,细菌通过识别AI-2类分子感知周围环境的菌量变化,进而调节自身行为[10]。

1.3群体感应信号分子

细菌之间的信息交流依靠其合成释放的信号分子,当释放的信号分子浓度达到临界值时,会启动菌体内相关基因的表达,调控细菌的行为以适应环境的变化,如形成生物膜、产生抗生素、产生毒素、产生色素、菌体发光等[11]。常见的信号分子有AHL分子、自诱导短肽AIP、AI-2类分子。

2　群体感应现象与食品腐败变质的关系

在导致食品腐败变质的诸多因素中,微生物污染是最活跃、最普遍的因素。在生鲜食品中,肉类、水产品等畜产食品,因其高营养价值更易受到微生物的污染而导致腐败变质。许多与食品腐败变质有关的革兰氏阴性菌都会产生AHL,比如假单胞菌(Pseudomonasspp)、肠杆菌(Enterobacteriaceae)、嗜水气单胞菌(A.hydrophila)。Gram等发现,在由革兰氏阴性菌腐败作用导致的食品腐败中检测到AHL,当腐败细菌达到一定数量后AHL被检测到,这说明AHL的水平与腐败细菌的数量具有一定的相关性[12]。Lars Ravn分离出148株与食品腐败有关的革兰氏阴性菌,其中146株存在明显的群体感应效应[13]。綦国红等从市售鱼中分离出的三株假单胞菌均能产生AHL,发现腐败细菌通过QS系统调控腐败特性的表达[14]。Jay等研究认为假单胞菌生物膜的形成受到AHL介导的群体感应的控制[15]。另外有研究称,在食品储藏过程中AHL是稳定可积累的[16]。相比于革兰氏阴性菌,对革兰氏阳性菌QS系统与食品腐败变质过程的研究较少,多集中在食源性病原菌的致病性研究上,如抑制金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)的外毒素表达[17]。

3　群体感应抑制剂

食源性细菌的特性表达与细菌的QS系统密切相关,如致腐败性。与食品腐败有关的信号分子主要是革兰氏阴性菌分泌产生的AHL,如胡萝卜软腐欧文氏菌(Erwiniacarotovora)、蜂房哈夫尼菌(Hafniaalvei)、变形斑沙雷氏菌(Serratiaproteamaculans)都可以产生AHL信号分子[18]。通过干扰食品中微生物的QS系统,可以有效减缓腐败变质过程,延长食品的货架期。研究发现,存在对细菌群体感应有抑制和干扰作用的物质,用以阻断细菌种内或种间的信息交流。对于细菌群体感应的抑制和干扰主要有以下三种途径:抑制信号分子的合成,促进信号分子的降解,抑制信号分子与受体蛋白的结合。利用QSIs可以抑制和干扰信号分子,但QSIs存在的一个问题是它们大多具有一定毒性且不适于在人类生活生产中应用,如卤代呋喃酮及其衍生物虽有较强的干扰QS信号通路的活性,却有一定诱变致癌作用[19]。因此,寻找安全无害的QSIs就显得极为重要。作为用于食品的群体感应抑制剂,考虑到食品安全性,从食源性植物提取物中筛选QSIs是一种有效方式,且食源性植物提取物来源丰富,但其同时也存在浓度低、有毒性等缺点。根据QSIs分子的来源,在食品防腐保鲜方面考虑,作如下归类:基于原核生物的QSIs、基于动物的QSIs、基于植物的QSIs、合成的QSIs。

3.1基于原核生物的QSIs

原核生物产生的QSIs有AHL-内酯酶、AHL-酰基转移酶、脱氨酶、脱羧酶等。首次被报道的群体感应淬灭酶是从芽孢杆菌Bacillus240b1中筛选得到的AiiA酶,它可以有效减弱胡萝卜软腐欧文氏菌的致病性。研究表明若将AHL内酯水解酶的基因转入烟草、马铃薯中,就可以获得抗软腐病能力较强的菌株[20]。希瓦氏菌属属于革兰氏阴性菌,主要腐败鱼、虾等海产品,它是少数已知的同时具有AHL产生及降解能力的菌种,QS系统所调控的基因表达会在AHL降解过程中自行关闭,推测其依靠产生的AHL-酰基转移酶降解信号分子[21]。

3.2基于动物的QSIs

在发酵牛奶中发现了部分铜绿假单胞菌产生的群体感应信号分子能够被2(H)-呋喃酮阻断,从而延长发酵牛奶的贮藏期[22]。猪的肾酰转移酶被发现能使两种QS信号分子失活,这对减少嗜水气单胞菌的生物膜形成在一定程度上有减缓效果[23]。研究表明,在牛肉中含有可以抑制哈维氏弧菌中AI-2介导的生物发光的化合物,同时家禽肉中的长链脂肪酸对V.harveyiBB170的AI-2具有很强的抑制能力[24]。也有学者初步研究发现,蜂蜜中的提取物对AHL介导的群体感应有显著的抑制作用,并提出蜂蜜的防腐作用可能和这种化合物的性质有密切关系[25]。

3.3基于植物的QSIs

海洋红藻产生的溴化呋喃酮是具有群体感应抑制活性的天然产物,它能够抑制细菌的群体感应,溴化呋喃酮也可以抑制AI-2介导的群体感应[26]。在对鼠伤寒沙门氏杆菌(Salmonellatyphimurium)、大肠杆菌(E.coli)和铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)的研究中发现,葡萄柚汁中所含的呋喃香豆素可有效抑制AI-1、AI-2活性和被膜的形成。浆果中的香豆素可以抑制V.harveyiBB886和BB170的AI-1和AI-2活性并且可以抑制致病菌如大肠杆菌O157∶H7,对鼠伤寒沙门氏杆菌和铜绿假单胞菌的生物膜形成也有抑制作用[27]。柠檬苦素类似物对于AI-2介导的生物发光具有非常有效的抑制作用[28]。这些香豆素和柠檬苦素类似物共同具有呋喃结构,这部分结构具有QSIs的能力[29]。研究发现,食用植物素对人体有益并具有抗菌活性,在非致死量浓度下呈现对群体感应的抑制作用[30]。又有研究表明黄酮类化合物能够抑制群体感应信号受体并在体外抑制被膜形成[31]。Juanmei Zhang等研究发现,茶多酚(RTP)提取物,含有丰富的多酚类和类黄酮,能够特异性抑制QS系统控制的紫色杆菌的生长繁殖,对生物膜的形成有抑制作用,可作为QSIs用于延长货架期[32]。研究者们在豌豆、水稻、番茄和大豆等高等植物中发现了细菌QS系统信号分子的类似物,而且已经证实这些植物提取物可以影响由 AHL介导的某些基因的表达,其他的高等植物例如番茄、野豌豆、水稻等也可分泌QSIs,影响细菌AHL介导的QS系统[33]。

3.4合成的QSIs

天然QSIs已经被大量发现,然而天然QSIs的应用限制在于它们浓度太低并且往往伴有毒性。在特定情况下,可以通过化学合成绕开这些限制,但目前QSIs的合成十分匮乏。现有的许多合成QSIs的尝试,主要包括信号分子合成、AHL侧链修饰、AHL环部分修饰、受体配体相互作用的拮抗、AIP-2信号修饰等。Morohoshi 等合成了一系列具有不同酰基链长的N-酰基环戊胺,发现N-九酰-环戊胺(C9-CPA)对粘质沙雷菌(Serratia marcescens)的QS介调的致病基因表达具有抑制活性[34]。此外,合成的C-30化合物是也一种有效的QS抑制剂,能特异性抑制QS控制基因的表达[35]。

4　展望

食品的腐败变质与微生物的QS系统密切相关,在很多腐败变质食品中都有检测到群体感应信号分子。群体感应的研究在生物、制药、医疗等领域已经取得一定的进展,但是在防止食品腐败变质的方面还处在起步阶段。随着细菌群体感应信号分子机制研究的不断深入和完善,越来越多安全有效的新型QSIs将被研制与开发出来,对于天然QSIs的提纯降毒以及合成QSIs的设计将成为未来研究的热点。安全稳定的QSIs将为解决食品腐败变质问题,延长食品货架期,保障食品安全提供一种新的途径。

[1]高宗良,谷元兴,赵峰,等. 细菌群体感应及其在食品变质中的作用[J]. 微生物学通报,2012,39(7)：1016-1024.

[2]Nychas G J E,Skandamis P N,Tassou C C,et al. Meat spoilage during distribution[J]. Meat Science,2008,78(1):77-89.

[3]Czajkowski R. Quenching of acyl-homoserine lactone-dependent quorum sensing by enzymatic disruption of signal molecules.[J]. Acta Biochimica Polonica,2009,56(1).

[4]赵丽珺,谢晶. 冷却猪肉特定腐败微生物与群体感应现象研究进展[J]. 食品工业科技,2012,33(22):395-399.

[5]Nealson K H,Platt T,Hastings J W. Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system[J]. Journal of bacteriology,1970,104(1):313-322.

[6]Gobbetti M,De Angelis M,Di Cagno R,et al. Cell-cell communication in food related bacteria[J]. International journal of food microbiology,2007,120(1):34-45.

[7]von Boehmer H. Mechanisms of suppression by suppressor T cells[J]. Nature immunology,2005,6(4):338-344.

[8]Rutherford S T,Bassler B L. Bacterial quorum sensing:its role in virulence and possibilities for its control[J]. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine,2012,2(11):a012427.

[9]Pomerantsev A P,Pomerantseva O M,Camp A S,et al. PapR peptide maturation:role of the NprB protease in Bacillus cereus 569 PlcRPapR global gene regulation[J]. FEMS Immunology &Medical Microbiology,2009,55(3):361-377(17).

[10]Mok K C,Wingreen N S,Bassler B L. Vibrio harveyi quorum sensing:a coincidence detector for two autoinducers controls gene expression[J]. The EMBO journal,2003,22(4):870-881.

[11]丁贤,孙威文,殷波,等. 细菌群体感应淬灭的几种调控机制及其潜在应用[J]. 南方水产科学,2013,9(1):74-79. DOI:doi:10.3969/j.issn.2095-0780.2013.01.013.

[11]Whitehead N A,Barnard A M L,Slater H,et al. Quorum-sensing in Gram-negative bacteria[J]. FEMS microbiology reviews,2001,25(4):365-404.

[12]Givskov M,Rasmussen T B,Ren D,et al. Bacterial Cell-to-cell Communication(Quorum Sensing)[J]. Springer,2008.

[13]Bai A J,Rai V R. Bacterial quorum sensing and food industry[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety,2011,10(3):183-193.

[14]张力群,田涛,梅桂英. 群体感应淬灭——防治植物细菌病害的新策略[J]. 中国生物防治,2010,26(3):241-247.

[15]Bassler B L,Wright M,Showalter R E,et al. Intercellular signalling in Vibrio harveyi:sequence and function of genes regulating expression of luminescence[J]. Molecular microbiology,1993,9(4):773-786.

[16]程古月,郝海红,戴梦红,等. 病原菌的群体感应及其抑制剂的研究进展[J]. 科学通报,2012,(21):1964-1977.

[17]郭嘉亮,陈卫民. 细菌群体感应信号分子与抑制剂研究进展[J]. 生命科学,2007,19(2):224-232. DOI:doi:10.3969/j.issn.1004-0374.2007.02.024.

[18]Pesci E C,Milbank J B J,Pearson J P,et al. Quinolone signaling in the cell-to-cell communication system of Pseudomonas aeruginosa[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,1999,96(20):11229-11234.

[19]Huang T P,Wong A C L. Extracellular fatty acids facilitate flagella-independent translocation by Stenotrophomonas maltophilia[J]. Research in microbiology,2007,158(8):702-711.

[12]Gram L,Ravn L,Rasch M,et al. Food spoilage—interactions between food spoilage bacteria[J]. International journal of food microbiology,2002,78(1):79-97.

[13]Ravin L,Christensen A B,Molin S,et al. Methods for identifying and quantifying acylated homoserine lactones produced by Gram-negative bacteria and their application in studies of AHL-production kinetics[J]. J. Microbiol. Methods,2001,44:239-251.

[14]綦国红,董明盛,陈晓红,等. 食源假单胞菌群体感应信号分子的研究[J]. 微生物学通报,2007,34(1):72-76.

[15]Jay J M,Vilai J P,Hughes M E. Profile and activity of the bacterial biota of ground beef held from freshness to spoilage at 5-7 C[J]. International journal of food microbiology,2003,81(2):105-111.

[16]Flodgaard L R,Christensen A B,Molin S,et al. Influence of food preservation parameters and associated microbiota on production rate,profile and stability of acylated homoserine lactones from food-derived Enterobacteriaceae[J]. International journal of food microbiology,2003,84(2):145-156.

[17]罗利龙,娄瑞娟,邱健,等. 细菌群体感应及其干扰策略的研究进展[J]. 生物学杂志,2010,27(6):79-82. DOI:doi:10.3969/j.issn.1008-9632.2010.06.079.

[18]Ravn L,Christensen A B,Molin S,et al. Methods for detecting acylated homoserine lactones produced by Gram-negative bacteria and their application in studies of AHL-production kinetics[J]. Journal of Microbiological Methods,2001,44(3):239-251.

[19]Hjelmgaard T,Persson T,Rasmussen T B,et al. Synthesis of furanone-based natural product analogues with quorum sensing antagonist activity.[J]. Bioorganic & Medicinal Chemistry,2003,11(15):3261-3271.

[20]Dong Y H,Wang L H,Zhang L H. Quorum-quenching microbial infections:mechanisms and implications[J]. Philosophical transactions of the Royal Society B:biological Sciences,2007,362(1483):1201-1211.

[21]Chan K G,Atkinson S,Mathee K,et al. Characterization of N-acylhomoserine lactone-degrading bacteria associated with the Zingiber officinale(ginger)rhizosphere:co-existence of quorum quenching and quorum sensing in Acinetobacter and Burkholderia.[J]. Bmc Microbiology,2011,11(1):58-62.

[22]Shobharani P,Agrawal R. Interception of quorum sensing signal molecule by furanone to enhance shelf life of fermented milk[J]. Food control,2010,21(1):61-69.

[23]Dong Y H,Zhang L H. Quorum Sensing and Quorum-Quenching Enzymes[J]. Journal of Microbiology,2005,43(1):101-109.

[24]Lu L,Hume M E,Pillai S D. Autoinducer-2-like Activity Associated with Food and Its Interaction with Food Additives[J]. Journal of Food Protection,2004.

[25]Truchado P,López-Gálvez F,Gil M I,et al. Quorum sensing inhibitory and antimicrobial activities of honeys and the relationship with individual phenolics[J]. Food chemistry,2009,115(4):1337-1344.

[26]Hentzer M,Wu H,Andersen J B,et al. Attenuation of Pseudomonas aeruginosa virulence by quorum sensing inhibitors[J]. The EMBO journal,2003,22(15):3803-3815.

[27]Girennavar B,Cepeda M L,Soni K A,et al. Grapefruit juice and its furocoumarins inhibits autoinducer signaling and biofilm formation in bacteria[J]. International journal of food microbiology,2008,125(2):204-208.

[28]Vikram A,Jesudhasan P R,Jayaprakasha G K,et al. Citrus limonoids interfere with Vibrio harveyi cell-cell signalling and biofilm formation by modulating the response regulator LuxO[J]. Microbiology,2011,157(1):99-110.

[29]Lönn-Stensrud J,Petersen F C,Benneche T,et al. Synthetic bromated furanone inhibits autoinducer-2-mediated communication and biofilm formation in oral streptococci[J]. Oral microbiology and immunology,2007,22(5):340-346.

[30]Vattem D A,Mihalik K,Crixell S H,et al. Dietary phytochemicals as quorum sensing inhibitors[J]. Fitoterapia,2007,78(4):302-310.

[31]Cushnie T P T,Lamb A J. Recent advances in understanding the antibacterial properties of flavonoids[J]. International journal of antimicrobial agents,2011,38(2):99-107.

[32]Zhang J,Rui X,Wang L,et al. Polyphenolic extract from Rosa rugosa tea inhibits bacterial quorum sensing and biofilm formation[J]. Food Control,2014,42:125-131.

[33]张素琴.微生物分子生态学[M]. 北京：科学出版社,2005:102-118.

[34]Morohoshi T. Inhibition of quorum sensing in Serratia marcescens AS-1 by synthetic analogs of N-acylhomoserine lactone.[J]. Applied & Environmental Microbiology,2007,73(20):6339-6344.

[35]Hentzer M,Wu H,J B Andersen,et al. Attenuation of Pseudomonas aeruginosa virulence by quorum sensing inhibitors[J]. Embo Journal,2003,22(15):3803-3815.

Application of quorum sensing inhibitors in food preservation

ZHANG Lu,GUI Meng,LI Ping-lan*

(College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

In food industry,food spoilage is a major problem that people have faced for a long time. Recent studies have shown that bacterial quorum sensing was closely related to food spoilage. Based on the brief introduction of the quorum sensing system and signal molecules,the research progress and application prospect of quorum sensing inhibitors in preventing food were illustrated and discussed in this paper.

quorum sensing;inhibitors;food spoilage

2015-03-27

张璐(1989-),男,硕士,研究方向:食品微生物,E-mail:luzhangcau@163.com。

李平兰(1964-),女,博士,教授，研究方向:食品微生物,E-mail:lipinglan@cau.edu.cn。

北京市鲟鱼、鲑鳟鱼创新团队专项(SCGWZJ20151105-2)；国家自然科学基金面上项目(31471707，31071591)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)03-0364-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.068