芽孢杆菌（Bacillus）细胞膜刚性的相关研究概述

摘 要：本文综述了芽孢杆菌细胞膜刚性的相关研究成果，包括芽孢杆菌特征及分类进化史、细胞膜及芽孢的特征、芽孢杆菌细胞膜刚性的研究的趋势与进展。

关键词：芽孢杆菌；细胞膜刚性

1.芽孢杆菌（Genus Bacillus）的特征及分类进化史

1872年，Ferdinand Cohn将Ehrenberg于1835年命名的“Vibrio subtils”更名为 Bacillus subtilis，建立了芽孢杆菌属。将其描述为革兰氏阳性、产芽孢的需氧杆菌。早在1884年，芽孢杆菌产生芽孢的特性便成为其重要的分类特征。

芽孢杆菌属的各个成员广泛分布于空气、土壤与水，甚至一些极端环境（例如高海拔的空气）。而其代谢的多样性使它们成为商业用途较为广泛的菌群之一。目前四类产品的生产主要依赖于芽孢杆菌：酶、生物化学制品、抗生素和杀虫剂。随着1970年代分子生物技术的兴起，16SrDNA序列及细胞表型特征已成其分类的主要依据[1][2]。

2.细胞膜及芽孢的特征

细胞膜作为细胞结构的基础组成部分，具有隔离外界环境、信息交流、能量产生、维持离子浓度梯度及固定膜蛋白等重要功能。目前对于细胞膜结构的认识基于Singer and Nicholson的流动镶嵌模型[3]：细胞膜是由脂类双分子层中镶嵌可以移动的球形蛋白质组成。

细胞膜刚性（Rigidity）是描述细胞膜状态的重要参数之一。研究表明，细胞膜会通过修饰自身结构以维持一个流动的状态。细胞膜刚性的改变取决于膜上脂肪与外界环境因素发生的物理化学反应。

由于荧光探针自身稳定、可被重复激活与探测、不破坏细胞膜结构及操作便捷等优势，现已成为研究细胞膜常用的工具。目前，1，6-二苯基-1，3，5-己三烯（DPH）探针被广泛使用[4]。作为一个极度疏水亲脂对称的探针，DPH能够渗透进膜的疏水区并于脂肪酸链平行附着，随着DPH的不断插入细胞膜将会引发荧光强度增强[5]。

芽孢在恶劣环境下由营养细胞形成。在环境适宜时，芽孢被重新激活、萌发后发芽，再次变为营养细胞[6]。

芽孢代谢上处于休眠状态，与营养细胞完全不同的结构。其结构由外到内分为：外壁、芽孢壳、外膜、皮层、芽孢壁、内膜与 核芯。其中芽孢内膜上脂肪分子的状态使其具有极低的渗透性，保护芽孢内DNA免受侵害[7]。研究表明，芽孢内膜会在之后芽孢发芽时变为营养细胞的细胞膜。

3.芽孢杆菌细胞膜刚性的研究意义及进展

随着当代人们对食物带来的健康作用的重视，人们要求食物质量好、新鲜、低盐又不含防腐剂。这便催生了加工工序少的即食食物。传统的巴氏消毒杀菌方式具有诸多局限性（例如影响口味、降低食物营养价值），而新兴的加热技术（例如高温短时消毒（HTST）与超高温杀菌（UHT））由于无法保持食物的新鲜口味与質地，仍不能满足生产上的需求。目前，一种被称为非热处理技术在食品行业发展迅速，然而这种处理方法中最重要的安全隐患便是食源性病原菌的芽孢抗性问题[8]。

自Homeoviscous Adaptations理论的提出，人们对于营养细胞膜的脂质稳态对于外界环境变化的反应机理已充分研究。而关于休眠芽孢细胞膜刚性以及芽孢与营养细胞之间细胞膜刚性联系的相关研究并未广泛展开。已有研究数据表明应用于荧光偏振分析法的DPH探针可以准确定位到特定芽孢杆菌菌种的芽孢内膜，进而说明DPH探针以其不破坏细胞膜结构的优点可被广泛应用于芽孢细胞膜刚性研究[9]。

相信在不久的将来，通过对于芽孢杆菌细胞膜刚性的相关基础研究，能让我们更好地理解芽孢的抗性机理，从而指导相关行业更新相应消毒杀菌技术（例如通过特定成分的加入来改变细胞膜的相关特性与功能），进一步提升食品行业安全生产的管理水平。

参考文献：

[1]Harwood， C. R.， Ed. （1989）. Introduction of Biotechnology of Bacillus. Bacillus. New York， Plenum Press.

[2]Logan， N. A. （2012）. "Bacillus and Relatives in Foodborne illness." J Appl Microbiol 112（3）： 417-429.

[3]Singer， S. J. and G. L. Nicolson （1972）. "The fluid mosaic model of the structure of cell membranes." Science 175（23）： 720-731.

[4]Trevors， J. （2003）. "Fluorescent probes for bacterial cytoplasmic membrane research."Journal of Biochemical and Biophysical Methods 57（2）： 87-103.

[5]Mykytczuk， N.， J. Trevors， et al. （2007）. "Fluorescence polarization in studies of bacterial cytoplasmic membrane fluidity under environmental stress." Progress in Biophysics and Molecular Biology 95（1）： 60-82.

[6]Moir， A. （2006）. "How do spores germinate？" Journal of Applied Microbiology 101（3）： 526-530.

[7]Setlow， P. （2006）. "Spores of Bacillus subtilis： their resistance to and killing by radiation， heat and chemicals." Journal of Applied Microbiology 101（3）： 514-525.

[8]Lado， B. H. and A. E. Yousef （2002）. "Alternative food-preservation technologies：efficacy and mechanisms." Microbes and Infection 4（4）： 433-440.

[9]Voss， D. and T. J. Montville （2014）. "1， 6-Diphenyl-1， 3， 5-hexatrine as a reporter of inner spore membrane fluidity in Bacillus subtilis and Alicyclobacillus acidoterrestris."Journal of Microbiological Methods 96： 101-103.

作者简介：

刘修齐（1988-）女 ，毕业于美国罗格斯新泽西州立大学.