枯草芽孢杆菌概述及其产生的抗菌活性物质的合成途径

背景及概述^[1][2]

枯草芽孢杆菌是芽孢杆菌属的代表种，细胞直杆状，很少成链，染色均匀。借周生鞭毛运动。革兰阳性。芽孢椭圆或圆筒状，壁厚，位于细胞的中央或近中央。琼脂培养基上的菌落呈圆形或不规则，表面色暗，不透明，有皱褶，可变为奶油色或棕色。当琼脂表面湿润时，菌落易于扩散。在琼脂表面生长的菌苔在液体中不易扩散。在液体培养中表面形成暗色、皱褶和完整的菌膜，菌液轻度混浊或不混浊。在特殊情况下，在菌落及其附近的培养基中，可以产生色素，这些色素被鉴定为黑色素。在许多菌株中，色素为棕色或红色，少数为橙色或黑色。每种色素的产生取决于培养基的组成。在基础培养基生长时不需要维生素，可以葡萄糖和铵盐作为唯一的碳源和氮源。主要营有氧呼吸，在含有葡萄糖的复杂培养基中可进行无氧呼吸，但其生长和发酵都很弱，主要产物为2，3-丁二醇、乙酰甲基甲醇和CO₂。其分布广泛，可从干草和土壤中分离到，能分泌多种胞外酶，参与动植物残体的早期分解，所产生的蛋白酶、果胶酶和淀粉酶等已广泛用于酶制剂生产，能产生枯草菌素等几种抗生素。

产生抗菌活性物质^[1]

1945年，人们首次发现枯草芽孢杆菌可以产生抗菌活性物质。目前，根据抗菌物质的合成途径，可将其分为核糖体合成途径和非核糖体合成途径两大类。

1 非核糖体合成途径

此途径合成的抗菌物质是微生物的次级代谢产物， 多在菌体的衰亡期合成， 通过酶合成系统中的非核糖体肽合成酶（NRPSs）催化。大多是低分子量的（300到 3000Da）脂肽类抗生素、 小分子量抗菌脂肽等。脂肽类抗生素目前研究较多，具有毒性小、可被降解、不污染环境、 耐酸碱等独特的理化特性。目前为止人们研究的比较透彻的脂肽类抗生素主要有伊枯草菌素、 表面活性素、 芬枯草菌素三大类。

1.1 伊枯草菌素

伊枯草菌素（iturin）在 1957年次被分离出来。它由7个α-氨基酸和 1个碳原子数为 14-17的 β-氨基酸脂肪酸链（β-AA）组成， 其中必含有 D-Tyr 及一个稳定的手性顺序 LDDLLDL。根据其氨基酸排列顺序不同可分为 Iturin A、B、C、 D、 E，杆菌霉素 Bacillomycin D、 L、 F，抗霉枯草菌素 mycosubtilin等。其对细胞膜的破环是通过在真菌细胞膜上形成小孔，使离子从小孔中通过使膜的通透性发生变化实现的，但其中 Iturin A则是通过使酵母细胞膜变性从而影响酵母的正常生长规律。

另一种在伊枯草菌素中研究最多且应用最广的为杆菌霉素Bacillomycin D，它首次在 1948年被人们发现。因具有抗肿瘤、抗病原真菌、 抗黄曲霉、 毒性小、无交叉耐药性等特点备受研究人员的关注。它是目前唯一从枯草芽孢杆菌中分离出的一类能够高度抑制黄曲霉的物质。Moyne通过研究得出枯草芽孢杆菌合成 Bacillomycin D 是由 4 个开放阅读框组成并共同编码多酶复合体后， 经非核糖体途径合成出的。

1.2 表面活性素

表面活性素（surfactin）为一种环状脂肽， 由 β-羟基脂肪酸一边的羟基与 7肽的肽链末端的 N端氨基酸结合成酰胺键，另一边与 C 端的羧基结合形成酯键，从而形成一个大的内脂环的结构。它的长链脂肪酸的尾部能够渗入到细胞膜的内部，从而改变细胞膜的渗透性扰乱其系统从而破坏或溶解细胞膜。它是目前发现的最强的生物表面活性剂， 具有抗菌及抗病毒特性。又因其耐高温、 酸碱、 高盐；无毒害、易生长；可与生物分子直接作用产生抗溃疡、抗炎、降胆固醇的功效等特点，在食品、医药、生物防治等领域有着巨大的发展潜力。

1.3 芬枯草菌素

芬枯草菌素（fengycin）首次在枯草芽孢杆菌 F29-3 中被发现，其相对分子质量约为 1500。通常由含有 13~17个碳原子的β-羟基脂肪酸链和肽链通过酯键结合而成。其中肽链先自身成环，β-羟基脂肪酸并不参与成环，肽链上第十位 Ile的羧基与第三位 Tyr的羟基通过内酯键成环， 后在与 β-羟基脂肪酸链结合。芬枯草菌素中较常见的有 fengycinA、 B及制磷脂菌素（plipstatin）。其中 fengycin A 的肽链上的六号位置的为 Ala， fengycin B 则为Val。研究发现芬枯草菌素具有很强的抗丝状真菌及抗肿瘤活性。它的双亲分子的理化性质使得它对脂质双分子有很强的亲和力， 可通过改变生物膜的结构或使通透性起到抗菌的作用。

2 核糖体合成途径

核糖体途径合成的抗菌物质分子量较大，合成于菌体的核糖体中，可利用菌体中的氨基酸合成出一些蛋白质或多肽类物质。合成的过程多发生在菌体对数生长期。常见的有细菌素、一些酶以及活性蛋白质等。

2.1 细菌素

细菌素（bacteriocin）是一种环状结构类蛋白质， 在芽孢杆菌在对数生长时期尚未形成芽孢时产生的，它可被蛋白酶降解。具有热稳定性、耐强碱、水溶解性好等特点。陈雪等研究发现她们筛选得到的枯草芽孢杆菌 C119所产生的细菌素具有广谱的抑菌活性。目前它被普遍认为是抗生素最有效的替代物，如今被用于食品、 化妆品等领域， 具有远大的应用前景。细菌素的作用机理尚未明确， 但大部分研究者认为它是通过对靶细胞的细胞壁或是细胞膜进行破坏从而起作用。

2.2 细胞壁降解酶

此类物质包括几丁质酶、β-1,3葡聚糖酶和乙酰基氨基葡糖苷酶等一些可降解细胞壁的酶类。

2.3 抗菌活性蛋白质

有些枯草芽孢杆菌还可产生一些具有活性的抗菌蛋白质，这些蛋白质的抑菌机理为破坏细胞壁造成菌丝的变形，使孢子发芽异常， 抑制它的生长繁殖。目前将编码这种抗菌蛋白的基因转入植物体内让植物体表现出相应的抗菌性现在是研究的重点之一。

主要参考资料

[1] 中国农业百科全书·生物学卷

[2]王晓彤,金黎明,宫小明,郝苗,权春善,赵晶,侯熙彦.枯草芽孢杆菌产生的抗菌物质的研究进展[J/OL].轻工科技,2018(11):14-15[2018-12-12].