細菌素

簡介

細菌素是由細菌或古細菌基因編碼，核糖體合成的一類殺菌蛋白或多肽，細菌素的生産菌對自身分泌的細菌素具有免疫力。細菌素是存在于細菌生活的天然環境中的一類抗菌物質，早期的研究認為細菌素隻對同種或具有近緣關系的細菌起作用，然而，近年來越來越多的研究結果表明，一種細菌素也可能對其他多種細菌起到抑殺作用。

1925年，A·格雷希亞首次報道了大腸杆菌V株産生一種對大腸杆菌Φ株有殺菌作用的物質，這類物質被稱作大腸杆菌素。以後又發現許多大腸杆菌都能産生大腸杆菌素，而且産大腸杆菌素因子可以從供體細胞轉移到受體細胞。

20世紀70年代以後，對細菌素的研究進入分子生物學水平，開展了對細菌素的化學性質、結構、生物合成、釋放和作用方式等方面的探索。利用細菌素或與噬菌體方法結合，可以有效地進行某些細菌的分型和病原菌的流行檢查。

大部分細菌素的産生和寄主細胞對細菌素的免疫性由質粒控制。細菌産生細菌素是細胞的緻死過程。緻死物質按其性質可分為兩類，一類是低分子量的蛋白質或肽，很難在電子顯微鏡下觀察到這類物質的結構，對胰蛋白酶多不穩定；另一類是具有複雜結構的蛋白質顆粒，有噬菌體部分形态結構，易于在電子顯微鏡下觀察，對胰蛋白酶穩定。

特點

1、細菌産生的一種抗生代謝産物，對同源種或近似種才有拮抗作用。

2、蛋白質是主要成分。

3、有一定的作用機制（殺菌模式）。

4、主要由質粒控制。

分類

1、細菌素以生産菌而命名：如大腸杆菌産生的細菌素稱大腸杆菌素，乳酸菌産生的稱為乳酸鍊球菌素（乳鍊菌肽，Nisin），綠膿杆菌産生的稱綠膿杆菌素。

2、細菌素根據化學結構、穩定性和分子量大小可分為4類。

第一類定義為羊毛硫抗生素（Lantibiotics），是一類小分子的修飾肽，含19-50個以上的氨基酸分子，分子活性部位有羊毛硫氨酸（Lanthionine）、β-甲基羊毛硫氨酸（βmethyllanthionine）、脫氫酪氨酸（Dehydrobutyrine）和脫氫丙氨酸（Dehydroalanine）等非編碼氨基酸。Lantibiotics又可細分為兩個亞類：Ia類是由在靶目标膜上形成孔道的陽離子和疏水基團組成的肽，它與結構穩定的Ib類相比，結構的伸展性更好；Ib類是球狀的肽類，它不帶電或帶負電。

第二類是小分子的熱穩定肽（SHSP），分子量小于10Kda，具有疏水性和膜活性，其結構特征為：N末端信号肽序列長度為18-21個氨基酸，前導肽鍊由一個蛋氨酸，并常随一個賴氨酸；有活性的細菌素其N—末端+1的位置上通常是賴氨酸或精氨酸。可以分為3個亞類：Iia類N-末端氨基酸序列為Tyr-Gly-Asn-Gly-Val，并由兩個半胱氨酸所構成的S-S橋，對利斯特氏杆菌有活性；Iib類孔道複合物由兩個具有不同氨基酸序列的肽類寡聚體形成；Iic類能被硫醇激活、活性基團要求有原性半胱氨酸殘基。

第三類是熱敏感的大分子蛋白（LHLP），分子量一般大于10Kda，通常在100℃或更低溫度30s内即失活，它們的抑菌譜較窄。

第四類是複合型的大分子複合物，除蛋白質外含有碳水化合物或類脂基團，目前這類細菌素還未被純化。

第二、三、四類細菌素由于不含羊毛硫氨基酸，所以通常又被稱為非羊毛硫抗生素（Non-lantibioticbacteriocin）

合成與分泌

細菌素的合成是受到嚴格調控的，研究結果表明，細菌素一般都是在細菌的對數生長期中期開始合成并分泌，且随着細菌數量的增多而增加分泌，直到生長平台期的早期達到分泌的最高峰。細菌素的合成是在一定條件下才發生的，引起細菌素合成與分泌的機制主要有：

①群體效應機制，這是大多數細菌素分泌調控的一種機制。在這種機制裡，細菌素的生産菌通過分泌一種胞 外信息素來對細菌素的生産進行調控。在細菌數量不多的時候，這種信息素的含量很低，不足以啟動細菌素的分泌，但随着細菌數量的不斷增加，胞外信息素的濃度也相應提高，當菌群數量達到一定數值時，胞外信息素的濃度也達到一個阈值，這時，細菌素生産菌就會啟動細菌素的生物合成與分泌。

②環境誘導機制，這是一種在特殊情況下才會啟動細菌素分泌的一種機制。引起細菌素分泌的環境因素很多，包括缺氧、壓力、分解代謝物阻遏和添加抗生素、細菌素及其他菌種等。

③SOS應激機制，該分泌機制主要存在于大腸杆菌素類細菌素的分泌，它的特點是生産菌以犧牲一部分同胞菌的方式來換取分泌細菌素後所能獲得的保護作用，即獲得更多的營養物質和生存空間。細菌素合成後最終都要釋放到周圍環境中去才能實現菌群調控的作用。細菌素從細菌細胞内釋放出來的途徑主要有：ABC轉運途徑、SEC轉運途徑、胞裂解途徑（隻見于革蘭氏陰性菌的大腸杆菌素及大腸杆菌樣細菌素的分泌）、其他細菌素分泌的專用途徑。  

作用

細菌素是細菌用于調控菌群結構的一種有力武器。細菌素作為細菌生活中的一種競争利器，既有利于細菌素生産菌侵入一個原本穩定的微生物區系，也可以作為細菌素生産菌的一種防禦武器，防止自身建立的穩定區系受到其他細菌的侵犯。研究結果表明，在接種量不足的情況下，産細菌素的細菌通常很難侵入生活在液體培養這樣生長有序的敏感菌群，這是因為少量的細菌素在高度稀釋後無法将敏感菌殺死，而細菌素合成的适合度代價卻使細菌素生産菌處于明顯的競争劣勢。相反，如果向液體培養中的細菌素生産菌群中接入少量的敏感菌，因為細菌素的存在，敏感菌根本不可能得到存活。然而，在固體培養這種結構化的環境中，因為不同的空間結構中所含營養成分的不一緻，細菌素生産菌則可以占據營養競争相對較弱的地方，而敏感菌則可生活在養分競争較為激烈的區域，從而達到兩者相安無事。在更為複雜的天然生境中（如動物腸道等），細菌素的分泌給整個細菌群落帶來的影響主要是取決于細菌素生産菌分泌細菌素所付出的代價，從理論上來說，細菌素生産菌、敏感菌與周圍其他共栖菌群是完全可以達到一種動态的平衡。分泌細菌素的腸道菌更有利于其在腸道中的成功定植，利用分泌細菌素的細菌制成益生素來維持或恢複動物腸道菌群的穩定性也得到越來越多的應用。大量實驗室純培養的研究結果也表明，細菌素的分泌一般都是在菌體增殖到一定數量後，即對數生長後期才開始分泌并一直延續到平台期。在這個時期，環境中的細菌數量急速增加，生存空間和營養素開始出現不足，細菌素生産菌在群體效應等不同機制的介導下就會啟動細菌素的分泌，企圖通過細菌素的分泌來殺滅同一生活環境中的敏感菌株，從而獲得更多的養 料與生存空間來維持自身的生存。此外，還可以通過分泌細菌素将敏感菌菌體裂解來獲取養料。

抑菌範圍

細菌素通常由革蘭氏陽性菌産生并可以抑制其他親緣關系較近的革蘭氏陽性菌，對大多數的革蘭氏陰性菌、真菌等均沒有抑制作用。細菌素可以抑制許多革蘭氏陽性菌，如Nisin抑制葡萄菌屬、鍊球菌屬、小球菌屬和乳杆菌屬的某些菌種，抑制大部分梭菌屬和芽孢杆菌屬的孢子；嗜酸乳杆菌和發酵乳杆菌産生的細菌素對乳杆菌、片球菌、明串球菌、乳球菌和嗜熱鍊球菌。但有研究發現，Nisin與螯合劑（如EDTA）連接後，改變了細胞的滲透性，可以抑制一些革蘭氏陰性菌，如E．coli和Salmonellasp．；或将Na3PO4與Nisin結合使用，可以提高革蘭氏陰性菌對Nisin的敏感性。部分非羊毛硫抗生素其抑菌範圍卻很窄，如LactococcinA等。

作用機制

由于一種細菌素并不是對每種菌都有抑制作用，在其對特殊菌株的親和力實驗中發現，菌株磷脂組成的pH影響最低抑菌濃度（MIC）。有研究顯示，膜通道的形成與細菌膜表面的“耦合分子基團”有關，耦合分子基團使得細菌素與細胞的相互作用更易于進行，從而提高細菌素的抑菌有效性。這一機制已成功地闡述了Nisin和Mersacidin的作用機制。兩者都是使用脂質體Ⅱ、肽聚糖前體作為對接分子與靶細胞作用。相應的Mersacidin是抑制肽聚糖的合成，從而使細胞壁和磷脂的合成受阻，使細胞質溢出。目前認為，一些細胞壁的生物合成是Nisin作用的靶點。其他的細菌素也是靶細胞膜上的特殊位點相互作用，這些位點可能是蛋白質。這種作用可以提高細菌素的有效性。

應用

1、細菌素在食品防腐方面的應用

細菌素能有效的抑制或殺死食品中的腐敗或病原細菌，同時它屬于天然的蛋白類物質，對于人體很安全。有研究認為它在腸胃中會被蛋白酶降解，因為消化酶能迅速把細菌素滅活，所以它在腸胃道中不能發揮抑菌作用。很多管理機構提倡利用栅欄技術來解決這樣的問題，如聯合幾種物理化學的方法來控制有害微生物的生長。Pediocin和低劑量的射線聯合使用時表現出很強的抑制腸膜明串株菌的生長活性。Nisin是第1個批準用于食品的細菌素，目前已超過45個國家承認Nisin為安全的食品防腐劑。

2、細菌素在醫學中的應用

由于抗生素産生的耐藥問題越來越嚴重，人們不斷尋找可以對抗耐藥菌代替抗生素的藥物，其中細菌素被認為具有很大的潛力。與抗生素的廣譜抗菌特性相比，細菌素的抑菌譜較窄，具有一定的專一性和靶向性，不容易産生耐藥性。同時細菌素的種類很多，正常能找到針對某種病原菌相對的細菌素。如Cerein 7對萬古黴素耐藥的鳥鍊球菌以及對替考拉丁耐藥的馬鍊球菌具有較強的抑制作用。目前，細菌素對細菌感染疾病治療一般都是應用産細菌素的菌株進行細菌幹預治療，至今還沒有一種純細菌素直接作為藥物用于臨床，僅僅還停留在實驗室階段。

3、細菌素在飼料中的應用

與人類面臨抗生素耐藥株的危害一樣，畜牧業中因抗生素添加劑的濫用，造成相當嚴重的後果。如MRSA （Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus）ST398在歐洲養殖場引發的一系列嚴重的感染。專家認為出現 MRSA ST398是因為人們在飼料中添加抗生素增加了病菌對藥物的耐受力。有研究表明，産細菌素的菌株對于動物腸道菌群的情況有一定影響。當在雞的飲用水中加入濃度接近106 cell/mL的microcin 24産生菌株，其腸道中的鼠傷寒沙門菌在3個星期後就不再檢出。在畜牧業生産中，随着細菌素的出現和研究的深入，細菌素取代抗生素逐漸成為可能，以保證畜禽健康和畜産品安全和養殖生态環境的安全。

4、細菌素在栅欄技術（Hurdle technology）中的應用

栅欄技術是聯合不同保存方法來抑制微生物的生長。細菌素經常和其它處理配合使用，可以用來作為一個栅欄來改善食品的安全性。聯合使用2種細菌素能延長食品的貨架期，如Nisin和PendioncinPA-1/ACH的聯合使用可以防止奶制品、肉類和魚類食品腐敗。有些研究者成功聯合使用Nisin和溶菌酶或Nisin和一些乳汁來代替聯合使用2種細菌素抑制食品腐敗細菌。細菌素聯合其他化學防腐劑在牛奶、奶酪、果汁中抑菌效果的研究表明，短乳杆菌和蕈狀芽孢杆菌的細菌素在所有處理的食品中均表現出可喜的效果。細菌素的産生菌乳酸菌培養物可以利用栅欄技術來減少食源性疾病。理解每個單獨栅欄的作用方式能更有效地把各種處理組合在一起。例如，脈沖電場（PEF）的應用，它能增加細胞膜的滲透性，已經和同樣作用于細胞膜的Nisin配合使用。