细菌素及其潜在新应用的研究进展

毛雯 田露，2 龚国利，2

（1. 陕西科技大学食品与生物工程学院，西安 710021；2. 西安市微生物药物工程实验室，西安 710021）

所有活的生物都能够产生抗菌蛋白（Antimicrobial peptides，AMPs），其中许多抗菌蛋白因分子量相对较小而被称为抗菌肽。在真核免疫系统中，AMPs被认为是宿主防御天敌的第一道防线。细菌可产生两种类型的AMPs，一种是由核糖体合成的抗菌蛋白，俗称为细菌素；另一种是非核糖体合成的抗菌蛋白，其无结构基因编码，如e-poly-L-lysine［1］。而本文主要对细菌素当前的分类状况、细菌素的新功能及新应用进行综述，希望能为相关领域研究者提供启发及参考。

1 细菌素的分类状况

一般将细菌素定义为由核糖体产生的具有蛋白质性质，在一定浓度下具有显著抗微生物活性的多功能物质。当前，一些研究者喜欢将Gratia等［2］在1925年首次发现的大肠杆菌素和类似于大肠杆菌素样的抗菌物质（Bacteriocin-like inhibitory substances）分为单独的一类。而另外一些学者建议将分泌于乳酸菌（Lactic acid bacteria），并具有十分重要研究意义的细菌素作为一个独立的分类单元［3］。其它的细菌素应根据细菌素的种类、来源、生产的复杂性和作用机制进行分类。但是，上述细菌素的分类方法，可能会造成细菌素分类混淆，因为细菌素功能多样，作用机制复杂，同一种细菌素完全有可能具有不同类群细菌素的部分分类特征。而到目前为止，还没有人发现更好的细菌素分类方法。

表1 商业上可获得的产生细菌素的食品级微生物

2 细菌素的功能及应用

目前许多首次被发现的细菌素已研制成为抗菌剂，其更多的功能及应用状况读者可参考各种抗菌剂研制成功并应用的来源信息。例如，Fuqua等［4］的书中有关于细菌素参与调控微生物群落各种过程的评论，以及Hegarty等［5］最新的关于细菌素的叙述。乳酸链球菌肽（Nisin）是由乳酸链球菌（Lactococcus lactis）产生的一种细菌素，其本身可作为一种类似于触发器的传导信号，调节自身的分泌［6］。在链球菌中，膜蛋白（ComM）作为一种信号分子调节具有转运蛋白能力和触发细胞对溶解酶免疫的细菌素的生产［7］。在变形链球菌（Streptococcus mutans）中，当存在高浓度的刺激肽时，胞内未修饰定位细菌素mutacin V可作为裂解剂抵御细胞微生物的入侵［8］。除此之外，还有一些关于细菌素在亚-最低抑菌浓度（Minimum inhibitory concentration，MIC）下触发微生物群体感应抑制的报道［9］。从进化的角度来看，微生物利用群体感应抑制效应作为防御手段，而不是杀死侵袭其生态位的细胞是符合逻辑的。即细菌素生产者不是通过生产大量的细菌素防御入侵者，而是通过分泌少量的细菌素触发群体感应抑制，从而阻断外来入侵者的生物膜的形成使其沉降下来达到防御目的。总之，各种不同类型的细菌素具有不同的调节功能，可调节微生物各种反应的同时，也能调节它们自身生产［10］。而最近的研究表明，细菌素在家族亲属识别方面也扮演着十分重要的角色［11］。

3 细菌素天然水平的作用效果

当前，关于细菌素生产者在自然条件下生产出的细菌素的产量和浓度的报道较少，因此，模仿自然环境的研究将揭示科学家们对细菌素主要功能的假设是否正确。在模拟条件下，以食物环境中的单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）为抑菌对象，亚-最低抑菌浓度的乳酸链球菌素（nisin）作为入侵者，观察到单核细胞增生李斯特菌的数量随着乳酸链球菌素浓度变化的情况。最终我们看到单核细胞增生李斯特菌在食品环境中的存活状态随着nisin的浓度缓慢降低而逐渐存活下来［12］。这项研究表明在自然条件下，细菌素在发挥作用的环境中会发生扩散，最终只有一小部分作用于病原体，也就是在自然条件下病原体细胞面对的是浓度相对较低的外来入侵细菌素。因此，基于现有的文献，科学家们推测细菌素的主要功能是信号传递和排斥作用，而不是杀死入侵细胞。当以远远超过微生物有机体在自然状态下生产出的细菌素的量做研究时发现，一些细菌素具有其它的附加功能，其中以抗菌活性研究居多［13］。当细菌素处于最小抑菌浓度时（Minimal bactericidal concentration），它们通常作为膜扰动器或成孔物质［14］。另外，一部分细菌素可以通过干扰细胞分裂过程来杀死敏感细胞。脂质II可作为各种抗菌蛋白（AMP）的识别“锚”，然而，一些细菌素具有分离脂质II的能力，从而阻止靶细胞正常运转［15］。细菌素干扰细胞分裂以及其它的生物学功能，都可在不同细菌素的不同浓度下实现，作用于不同的靶标微生物体。例如，唾液链球菌中发现的微摩尔级浓度的唾液酸B能够干扰藤黄微球菌（Micrococcus luteus）和化脓性链球菌（Streptococcus pyogenes）中的隔膜形成，而纳摩尔级浓度的乳酸链球菌肽A也具有相同的功能［16］。从而通过干扰细菌隔膜的形成起到一些细菌素的抑菌作用［17］。但目前报道最多的细菌素抑菌方式是使敏感细胞裂解［18］。

4 细菌素在食品领域的新应用

大多数涉及细菌素在食品中的应用可分为3类：部分纯化的细菌素产品，如含有2.5%乳链菌肽的Nisaplin1）；含有粗制发酵物形式的细菌素的乳制品和其他食品级发酵产品，如Micro-GARD1系列含细菌素的产品［19］和细菌素生产者的保护性培养物（表1，图1）［20-21］。利用细菌素控制各种食源性病原体已经由几个科研团队进行了几十年的研究［22］。然而，迄今为止，乳酸链球菌肽是唯一能够商业生产的食品级细菌素，可以用作各种食品防腐剂，除了单独作为防腐剂外，nisin和其它多种细菌素的联合使用能够有效控制食源性病原体，而且其在食品其它几个方面的应用已经获得美国FDA的批准［23］。最近，世界各地的专家团队正在研究改善细菌素在食物环境中的作用表现。正在解决的挑战包括增加细菌素工程衍生物对蛋白水解酶的抗性［24］，增强细菌素的活性和扩大抑菌谱［25］。经过对一些已报道的方法尝试之后，Brian等［26］发现通过合理设计已修饰细菌素的氨基酸序列的方法能够明显改善细菌素的抑菌活性

图1 细菌素：从简单使用到复杂的针对性应用

除了通过对氨基酸序列进行操纵改善细菌素的抗微生物活性之外，细菌素在食物环境中的有效性也可通过智能控制交付的方法进行改善。在一项以nisin和对nisin最敏感的藤黄微球菌菌株（M. luteus）为模型的细菌素抑制病原菌的研究中，发现最有效的抑制阶段发生在nisin快速释放的初始阶段和之后以较小量缓慢释放的阶段。此时，nisin的量恰好足以控制剩余所有的藤黄微球菌菌株［27］。目前，虽然合适的食品级细菌素输送系统仍在研究当中，但已研究的细菌素输送系统完全可以应用于各种药物的输送［28］。

细菌素的一个新兴潜在的作用可能是针对功能性食品，其中细菌素生产者将与食物一起食用或作为促进健康的非处方制剂，目的在于正调节胃肠道的微生物菌群［29］。在首次报道的实验中，产细菌素的唾液乳杆菌UCC118能够诱导改变肥胖小鼠的胃肠道微生物群从而调节小鼠的饮食状况。但其分泌的细菌素及其衍生物不参与上述调节反应［30］。

5 细菌素在人类健康方面的新应用

一些细菌素，如来自枯草芽孢杆菌的枯草溶菌素A具有抗病毒［31］和杀精活性［32］。枯草溶菌素的抗病毒活性可能是由于干扰了病毒复制的后期阶段。固定和杀灭精子的枯草溶菌素A的浓度对从人胃肠道分离的乳酸杆菌无抑菌活性。相反，乳酸链球菌肽的杀精子浓度对乳酸杆菌具有抑制活性［33］。此外，科学家们进行了将细菌素的功能与其相关结构系统化的尝试，并且已经报道了一些系统的方法来改善部分细菌素的功能［34］。虽然细菌素的主要应用一直是食品保藏［35］，但传统抗生素具有强耐药性的出现，为探索细菌素在多种医疗保健产品中的应用提供了新的机遇。最近，美国国立卫生研究院（National Institute of Health，NIH）鼓励研究人员寻找新型药物制剂的补充方法，因为在医疗保健产品中不需要的潜在抗性微生物必须得到控制［36］。当常规的抗生素药物与新型抗菌剂联合使用时，传统抗生素的抗微生物活性能够得到增强［37］，采用协同的多极化方法在受控细菌中作用不同靶点的抗微生物药物已经研究多年。据报道，不同的细菌素协同作用可在各种食品级物质［38］和噬菌体［39］中得到应用，尽管后者研究没有提供分数抑制浓度（Fractional inhibitory concentrations）或等效剂量（Isobologram）来验证观察到的协同作用。细菌素潜在影响深远的研究领域还包括口腔和皮肤护理，以及呼吸道，胃肠道，泌尿生殖道等感染疾病的控制。细菌素除了具有抗病毒活性之外，也可能使用在术后感染性细菌的控制中［40］。目前，nisin是最早发现和研究最多的细菌素，对人类健康相关的应用有着特殊的意义，因为它能够控制许多革兰氏阳性病原体，当与其它各种抗菌剂组合使用时，其作用范围不断扩大，同时能够抑制革兰氏阴性菌，主要作用部位是革兰氏阴性细菌的外膜［41］。随着细菌素研究的不断深入，其作为潜在抗癌药物的研究是科学家们最感兴趣的研究领域之一［42］。细菌素能够有选择性的抵抗癌细胞，最有可能是由于不同癌细胞的生物膜的差异性所致。

6 总结与展望

细菌素是细菌众多天然防御机制之一，常用于在相同环境中与其它微生物竞争的天然屏障。自乳酸链球菌肽首次发现以来，科研工作者已经阐述了许多具有独特结构和不同作用机制的细菌素，并且许多编码细菌素生产，分泌和免疫的基因已被报道。在过去的十年中，很多研究者将注意力集中在食品保藏级细菌素上，研究其治疗病原微生物感染和控制耐药致病菌的机制与效果。在今后的一段时间中，细菌素的研究重点是根据已知蛋白质结构设计全新的氨基酸序列，人工合成新型细菌素或对现有的细菌素进行改造，提高细菌素的应用潜力；随着基因组序列的快速发展，基因组挖掘变得更加容易，并且利用DNA重组技术合成满足人们要求的活性多肽或蛋白质，进而提高细菌素产量水平、稳定性、抑菌比活力，拓宽细菌素抑菌谱，探讨细菌素产生菌株的自身免疫性机制。细菌素作为安全高效抗菌剂的良好资源，在食品防腐、人类疾病防治和生物防治等领域展现出巨大的应用潜力，其开发和应用之路任重而道远。在当今这个令人兴奋的细菌素研究新时代，期待专业且高效的新型细菌素的诞生。