细菌素

简介

细菌素是由细菌或古细菌基因编码，核糖体合成的一类杀菌蛋白或多肽，细菌素的生产菌对自身分泌的细菌素具有免疫力。细菌素是存在于细菌生活的天然环境中的一类抗菌物质，早期的研究认为细菌素只对同种或具有近缘关系的细菌起作用，然而，近年来越来越多的研究结果表明，一种细菌素也可能对其他多种细菌起到抑杀作用。

1925年，A·格雷希亚首次报道了大肠杆菌V株产生一种对大肠杆菌Φ株有杀菌作用的物质，这类物质被称作大肠杆菌素。以后又发现许多大肠杆菌都能产生大肠杆菌素，而且产大肠杆菌素因子可以从供体细胞转移到受体细胞。

20世纪70年代以后，对细菌素的研究进入分子生物学水平，开展了对细菌素的化学性质、结构、生物合成、释放和作用方式等方面的探索。利用细菌素或与噬菌体方法结合，可以有效地进行某些细菌的分型和病原菌的流行检查。

大部分细菌素的产生和寄主细胞对细菌素的免疫性由质粒控制。细菌产生细菌素是细胞的致死过程。致死物质按其性质可分为两类，一类是低分子量的蛋白质或肽，很难在电子显微镜下观察到这类物质的结构，对胰蛋白酶多不稳定；另一类是具有复杂结构的蛋白质颗粒，有噬菌体部分形态结构，易于在电子显微镜下观察，对胰蛋白酶稳定。

特点

1、细菌产生的一种抗生代谢产物，对同源种或近似种才有拮抗作用。

2、蛋白质是主要成分。

3、有一定的作用机制（杀菌模式）。

4、主要由质粒控制。

分类

1、细菌素以生产菌而命名：如大肠杆菌产生的细菌素称大肠杆菌素，乳酸菌产生的称为乳酸链球菌素（乳链菌肽，Nisin），绿脓杆菌产生的称绿脓杆菌素。

2、细菌素根据化学结构、稳定性和分子量大小可分为4类。

第一类定义为羊毛硫抗生素（Lantibiotics），是一类小分子的修饰肽，含19-50个以上的氨基酸分子，分子活性部位有羊毛硫氨酸（Lanthionine）、β-甲基羊毛硫氨酸（βmethyllanthionine）、脱氢酪氨酸（Dehydrobutyrine）和脱氢丙氨酸（Dehydroalanine）等非编码氨基酸。Lantibiotics又可细分为两个亚类：Ia类是由在靶目标膜上形成孔道的阳离子和疏水基团组成的肽，它与结构稳定的Ib类相比，结构的伸展性更好；Ib类是球状的肽类，它不带电或带负电。

第二类是小分子的热稳定肽（SHSP），分子量小于10Kda，具有疏水性和膜活性，其结构特征为：N末端信号肽序列长度为18-21个氨基酸，前导肽链由一个蛋氨酸，并常随一个赖氨酸；有活性的细菌素其N—末端+1的位置上通常是赖氨酸或精氨酸。可以分为3个亚类：Iia类N-末端氨基酸序列为Tyr-Gly-Asn-Gly-Val，并由两个半胱氨酸所构成的S-S桥，对利斯特氏杆菌有活性；Iib类孔道复合物由两个具有不同氨基酸序列的肽类寡聚体形成；Iic类能被硫醇激活、活性基团要求有原性半胱氨酸残基。

第三类是热敏感的大分子蛋白（LHLP），分子量一般大于10Kda，通常在100℃或更低温度30s内即失活，它们的抑菌谱较窄。

第四类是复合型的大分子复合物，除蛋白质外含有碳水化合物或类脂基团，目前这类细菌素还未被纯化。

第二、三、四类细菌素由于不含羊毛硫氨基酸，所以通常又被称为非羊毛硫抗生素（Non-lantibioticbacteriocin）

合成与分泌

细菌素的合成是受到严格调控的，研究结果表明，细菌素一般都是在细菌的对数生长期中期开始合成并分泌，且随着细菌数量的增多而增加分泌，直到生长平台期的早期达到分泌的最高峰。细菌素的合成是在一定条件下才发生的，引起细菌素合成与分泌的机制主要有：

①群体效应机制，这是大多数细菌素分泌调控的一种机制。在这种机制里，细菌素的生产菌通过分泌一种胞 外信息素来对细菌素的生产进行调控。在细菌数量不多的时候，这种信息素的含量很低，不足以启动细菌素的分泌，但随着细菌数量的不断增加，胞外信息素的浓度也相应提高，当菌群数量达到一定数值时，胞外信息素的浓度也达到一个阈值，这时，细菌素生产菌就会启动细菌素的生物合成与分泌。

②环境诱导机制，这是一种在特殊情况下才会启动细菌素分泌的一种机制。引起细菌素分泌的环境因素很多，包括缺氧、压力、分解代谢物阻遏和添加抗生素、细菌素及其他菌种等。

③SOS应激机制，该分泌机制主要存在于大肠杆菌素类细菌素的分泌，它的特点是生产菌以牺牲一部分同胞菌的方式来换取分泌细菌素后所能获得的保护作用，即获得更多的营养物质和生存空间。细菌素合成后最终都要释放到周围环境中去才能实现菌群调控的作用。细菌素从细菌细胞内释放出来的途径主要有：ABC转运途径、SEC转运途径、胞裂解途径（只见于革兰氏阴性菌的大肠杆菌素及大肠杆菌样细菌素的分泌）、其他细菌素分泌的专用途径。  

作用

细菌素是细菌用于调控菌群结构的一种有力武器。细菌素作为细菌生活中的一种竞争利器，既有利于细菌素生产菌侵入一个原本稳定的微生物区系，也可以作为细菌素生产菌的一种防御武器，防止自身建立的稳定区系受到其他细菌的侵犯。研究结果表明，在接种量不足的情况下，产细菌素的细菌通常很难侵入生活在液体培养这样生长有序的敏感菌群，这是因为少量的细菌素在高度稀释后无法将敏感菌杀死，而细菌素合成的适合度代价却使细菌素生产菌处于明显的竞争劣势。相反，如果向液体培养中的细菌素生产菌群中接入少量的敏感菌，因为细菌素的存在，敏感菌根本不可能得到存活。然而，在固体培养这种结构化的环境中，因为不同的空间结构中所含营养成分的不一致，细菌素生产菌则可以占据营养竞争相对较弱的地方，而敏感菌则可生活在养分竞争较为激烈的区域，从而达到两者相安无事。在更为复杂的天然生境中（如动物肠道等），细菌素的分泌给整个细菌群落带来的影响主要是取决于细菌素生产菌分泌细菌素所付出的代价，从理论上来说，细菌素生产菌、敏感菌与周围其他共栖菌群是完全可以达到一种动态的平衡。分泌细菌素的肠道菌更有利于其在肠道中的成功定植，利用分泌细菌素的细菌制成益生素来维持或恢复动物肠道菌群的稳定性也得到越来越多的应用。大量实验室纯培养的研究结果也表明，细菌素的分泌一般都是在菌体增殖到一定数量后，即对数生长后期才开始分泌并一直延续到平台期。在这个时期，环境中的细菌数量急速增加，生存空间和营养素开始出现不足，细菌素生产菌在群体效应等不同机制的介导下就会启动细菌素的分泌，企图通过细菌素的分泌来杀灭同一生活环境中的敏感菌株，从而获得更多的养 料与生存空间来维持自身的生存。此外，还可以通过分泌细菌素将敏感菌菌体裂解来获取养料。

抑菌范围

细菌素通常由革兰氏阳性菌产生并可以抑制其他亲缘关系较近的革兰氏阳性菌，对大多数的革兰氏阴性菌、真菌等均没有抑制作用。细菌素可以抑制许多革兰氏阳性菌，如Nisin抑制葡萄菌属、链球菌属、小球菌属和乳杆菌属的某些菌种，抑制大部分梭菌属和芽孢杆菌属的孢子；嗜酸乳杆菌和发酵乳杆菌产生的细菌素对乳杆菌、片球菌、明串球菌、乳球菌和嗜热链球菌。但有研究发现，Nisin与螯合剂（如EDTA）连接后，改变了细胞的渗透性，可以抑制一些革兰氏阴性菌，如E．coli和Salmonellasp．；或将Na3PO4与Nisin结合使用，可以提高革兰氏阴性菌对Nisin的敏感性。部分非羊毛硫抗生素其抑菌范围却很窄，如LactococcinA等。

作用机制

由于一种细菌素并不是对每种菌都有抑制作用，在其对特殊菌株的亲和力实验中发现，菌株磷脂组成的pH影响最低抑菌浓度（MIC）。有研究显示，膜通道的形成与细菌膜表面的“耦合分子基团”有关，耦合分子基团使得细菌素与细胞的相互作用更易于进行，从而提高细菌素的抑菌有效性。这一机制已成功地阐述了Nisin和Mersacidin的作用机制。两者都是使用脂质体Ⅱ、肽聚糖前体作为对接分子与靶细胞作用。相应的Mersacidin是抑制肽聚糖的合成，从而使细胞壁和磷脂的合成受阻，使细胞质溢出。目前认为，一些细胞壁的生物合成是Nisin作用的靶点。其他的细菌素也是靶细胞膜上的特殊位点相互作用，这些位点可能是蛋白质。这种作用可以提高细菌素的有效性。

应用

1、细菌素在食品防腐方面的应用

细菌素能有效的抑制或杀死食品中的腐败或病原细菌，同时它属于天然的蛋白类物质，对于人体很安全。有研究认为它在肠胃中会被蛋白酶降解，因为消化酶能迅速把细菌素灭活，所以它在肠胃道中不能发挥抑菌作用。很多管理机构提倡利用栅栏技术来解决这样的问题，如联合几种物理化学的方法来控制有害微生物的生长。Pediocin和低剂量的射线联合使用时表现出很强的抑制肠膜明串株菌的生长活性。Nisin是第1个批准用于食品的细菌素，目前已超过45个国家承认Nisin为安全的食品防腐剂。

2、细菌素在医学中的应用

由于抗生素产生的耐药问题越来越严重，人们不断寻找可以对抗耐药菌代替抗生素的药物，其中细菌素被认为具有很大的潜力。与抗生素的广谱抗菌特性相比，细菌素的抑菌谱较窄，具有一定的专一性和靶向性，不容易产生耐药性。同时细菌素的种类很多，正常能找到针对某种病原菌相对的细菌素。如Cerein 7对万古霉素耐药的鸟链球菌以及对替考拉丁耐药的马链球菌具有较强的抑制作用。目前，细菌素对细菌感染疾病治疗一般都是应用产细菌素的菌株进行细菌干预治疗，至今还没有一种纯细菌素直接作为药物用于临床，仅仅还停留在实验室阶段。

3、细菌素在饲料中的应用

与人类面临抗生素耐药株的危害一样，畜牧业中因抗生素添加剂的滥用，造成相当严重的后果。如MRSA （Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus）ST398在欧洲养殖场引发的一系列严重的感染。专家认为出现 MRSA ST398是因为人们在饲料中添加抗生素增加了病菌对药物的耐受力。有研究表明，产细菌素的菌株对于动物肠道菌群的情况有一定影响。当在鸡的饮用水中加入浓度接近106 cell/mL的microcin 24产生菌株，其肠道中的鼠伤寒沙门菌在3个星期后就不再检出。在畜牧业生产中，随着细菌素的出现和研究的深入，细菌素取代抗生素逐渐成为可能，以保证畜禽健康和畜产品安全和养殖生态环境的安全。

4、细菌素在栅栏技术（Hurdle technology）中的应用

栅栏技术是联合不同保存方法来抑制微生物的生长。细菌素经常和其它处理配合使用，可以用来作为一个栅栏来改善食品的安全性。联合使用2种细菌素能延长食品的货架期，如Nisin和PendioncinPA-1/ACH的联合使用可以防止奶制品、肉类和鱼类食品腐败。有些研究者成功联合使用Nisin和溶菌酶或Nisin和一些乳汁来代替联合使用2种细菌素抑制食品腐败细菌。细菌素联合其他化学防腐剂在牛奶、奶酪、果汁中抑菌效果的研究表明，短乳杆菌和蕈状芽孢杆菌的细菌素在所有处理的食品中均表现出可喜的效果。细菌素的产生菌乳酸菌培养物可以利用栅栏技术来减少食源性疾病。理解每个单独栅栏的作用方式能更有效地把各种处理组合在一起。例如，脉冲电场（PEF）的应用，它能增加细胞膜的渗透性，已经和同样作用于细胞膜的Nisin配合使用。