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细菌素的合成与作用机制

2014.01.23

 
1、细菌素的性质
       细菌素是某些细菌产生的具有抗菌活性的多肽、蛋白质或蛋白复合物,一般只对亲缘关系较近的细菌有毒害作用,产生菌对其产生的细菌具有自身免疫性。细菌素的来源很广,由革兰氏阳性菌(G+)、革兰氏阴性菌(G−)或某些古细菌产生,,如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、变异链球菌、血链球菌和乳酸菌等。其中乳酸菌是食品安全级微生物,在食品、医药行业中应用广泛,因此其产生的细菌素作为食品添加剂、饲料添加剂具有很大的潜能。
1.1 细菌素的分类
       细菌产生的细菌素种类繁多,根据细菌素的组成、大小、热稳定性、作用方式、输出机制和抑菌谱等,乳酸菌细菌素被分为4类,其中根据结构分类如表1所示。随着细菌素研究的深入,新型细菌素不断出现,其分类方法也在不断变化,并逐步完善。
1.2 细菌素的抑菌谱
       与广谱抗生素相比,细菌素的抑菌谱相对较窄,不同细菌产生的细菌素抗菌活性各不相同。一般来说,G+所产生的细菌素只对其他G+有抗菌活性。也有一些特殊的细菌素,不仅对G+有抗菌活性,对某些G−也有抗菌作用,如Nisin A、Mutacin-Ny266不仅对大多数G+有抗菌活性,还对一些G−也有抗菌活性作用,包括弧菌和螺旋菌等。Nisin对许多G+具有抗菌活性,包括葡萄球菌、李斯特氏菌、分枝杆菌、棒杆菌和乳杆菌等,对一些致病性G−菌如弯曲杆菌、嗜血杆菌也可杀死。
1.3 和抗生素的区别
       在某些文献中经常将细菌素和抗生素混为一谈,其实它们的产生方式及作用模式等都有本质的不同。细菌素是由细菌通过核糖体合成的微生物初级产物,属于蛋白类物质,而抗生素属于次级代谢产物,是由多酶复合体合成的。此外,细菌素的抑菌谱相对较窄,一般只能抑制与其相近的细菌,而抗生素多为广谱。
 
2、 细菌素的作用机制和免疫性
2.1 细菌素作用机制
       细菌素都是通过非特异地吸附到细胞表面,但能否与细胞特异性结合,取决于细胞壁和质膜的结构。G+细菌素对敏感菌的吸附能力相对较弱,可能不需要与特定的受体结合而直接作用。和G+菌相比,G−菌在发生作用前必须和敏感菌细胞膜上特定的受体结合,属于受体介导型吸附。G+细菌素都是通过使敏感菌质膜上形成膜通道,破坏膜结构的完整性或影响其稳定性从而导致离子、氨基酸和ATP外渗进而导致细胞死亡。只是不同的G+细菌素起作用所必需的最低膜电位不同。除了形成膜孔道外,某些G+细菌素还可以诱导细胞的自溶。
2.2 细菌素免疫性
       合成细菌素的细胞对其产物具有免疫性是细菌素不同于抗生素的一种现象。编码“免疫蛋白”的基因接近于细菌素其它的结构基因和加工基因。细菌素的结构基因和免疫基因通常都位于同一个操纵子上,而且经常是相邻的。羊毛硫抗生素的免疫性最初认为是由于免疫基因的作用。细菌素的免疫性是几种蛋白相互影响的结果,因为其他基因的删除会导致宿主细胞免疫性的改变。
2.3 细菌素反抗机制
       抗生素抗性通常和遗传定子有关,它有利于细胞间、菌株和菌种间的抗性转移。不像大多数抗生素抗性,细菌素抗性是靶细胞膜生理上改变的结果。细菌素抗性的出现除了是细胞膜改变的结果,还可能是由于一种或多种酶的表达或失活。
3、细菌素的用途
       细菌素具有高效性、安全性、应用范围广、其添加不改变产品风味和病原菌对其不易产生抗性等诸多优点,因此细菌素目前已应用与食品、医学、饲料等多个方面。
3.1 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。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。
3.2 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。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。
3.3 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。有研究表明,产细菌素的菌株对于动物肠道菌群健康的情况有一定作用。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。
3.4 细菌素在栅栏技术中的应用
       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。
4、展望
       细菌素不仅能有效地控制病原微生物的生长而且安全,具有很大的作为食品防腐剂使用的潜力。随着对细菌素的深入研究,生物防腐剂被广泛应用于食品工业的日子不会很远,这不仅会给消费者提供更安全更健康的食品,而且会为食品工业带来一场重要的变革。另外因为细菌素的多样性和相对专一性,使其具有很大的潜力成为代替抗生素用于治疗细菌感染的药物。虽然细菌素在食品和医学等方面都具有广阔的应用前景,但是也存在不少的问题有待解决,如产量低、失活、敏感细胞抗性的出现、寻找专一性的细菌素较困难等。
 
 
 
 

 

细菌素的合成与作用机制