ε-聚賴氨酸產生菌及其應用研究概述

石慧，李嬋娟，張俊紅

1(武漢設計工程學院 食品與生物科技學院，湖北 武漢，430205)2(華中農業大學 園藝林學學院，湖北 武漢，430070)

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ε-聚賴氨酸產生菌及其應用研究概述

石慧1，李嬋娟1，張俊紅2*

1(武漢設計工程學院 食品與生物科技學院，湖北 武漢，430205)2(華中農業大學 園藝林學學院，湖北 武漢，430070)

ε-聚賴氨酸是由微生物分泌的、具廣譜抗微生物活性的多肽類物質，易被生物降解，對人體無害。主要由白色鏈霉菌屬、北里孢菌屬和麥角真菌分泌，近年來也有報道灰橙鏈霉菌、 稠李鏈霉菌、芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌等也能分泌ε-聚賴氨酸。篩選方法多在NISHIKAWA和OGAWA方法的基礎上改進。研究者通過誘變育種和分子改良提高菌株的產量。最常用的誘變劑為DES和UV或兩者協同誘變。分子改良常用技術為原生質體融合，基因組重排及染色體步移。搖瓶發酵ε-聚賴氨酸產量最高的菌株為日本的S.aureofaciern菌株，達到了4.5 g/L，我國搖瓶發酵產量最高的菌株為Streptomycessp. 達到了3.11 g/L。ε-聚賴氨酸具有廣闊的應用前景，在食品添加劑上已經投入使用，特別是食品防腐劑，在醫藥及生物材料上也具有較強的應用潛力。

ε-聚賴氨酸；篩選；誘變育種；分子育種

ε-聚賴氨酸是一種非核糖體合成的L-賴氨酸均聚物，是由ε-氨基和α-羧基依次連接而成的，具獨特功能的多肽結構[1]，也是一種生物堿，具有廣譜抗菌活性[2]和抗噬菌體的活性[3]。ε-聚賴氨酸的殘基數量10～40個不等，容易被生物降解，對人體無毒害[4]。25～35個氨基酸殘基的ε-聚賴氨酸具有較強的抗微生物活性，通常用作食品防腐劑，本世紀初由日本率先進行商業生產，并在日本、韓國和美國的食品防腐中廣泛應用[1,4]。在NISHIKAWA和OGAWA[5]發明新的菌種篩選方法前，研究者篩選到分泌ε-聚賴氨酸的菌種均為白色鏈霉菌，很少有其他新的菌種。主要研究單位有日本的チッン株式會社，滋賀縣立大學和岡山生物科學研究所[6]。21世紀初，中國江南大學、天津科技大學、南京工業大學、華南理工大學和南開大學等單位在ε-聚賴氨酸產生菌株的篩選、誘變、分子改良育種及發酵生產上做了大量的研究，其中江南大學的研究取得了巨大進展，該課題組采用Streptomycessp. M-Z18菌株補料發酵，ε-聚賴氨酸的批生產量為54.70 g/L[7]，達到了商業生產的要求，甚至高于日本商業生產用菌Streptomycesalbulusno.410的生產能力(48.3 g/L)[6]。

1　ε-聚賴氨酸產生菌的篩選

1.1篩選方法

ε-聚賴氨酸研究者篩選到的菌株主要為放線菌中的白色鏈霉菌屬、北里孢菌屬和麥角真菌[10]。近年來也有報道篩選到灰橙鏈霉菌[11]，稠李鏈霉菌[12]，芽孢桿菌[8]和蠟樣芽孢桿菌[9]可以分泌ε-聚賴氨酸。傳統的ε-聚賴氨酸產生菌的篩選方法十分復雜，基本程序是篩選出白色鏈霉菌，然后搖瓶發酵，利用德拉根道夫法篩選出發酵液陽性菌株，最后再通過液相色譜法對發酵液進行進一步的驗證，以確定ε-聚賴氨酸產生菌的ε-聚賴氨酸產量，該方法工作量大、周期長、效果不好。2002年，NISHIKAWA和OGAWA[5]采用了一種簡便的方法開展ε-聚賴氨酸產生菌的篩選，具體做法是在篩選培養基中加入酸性染料PolyR-478或者堿性染料亞甲基藍，ε-聚賴氨酸產生菌分泌的ε-聚賴氨酸會通過靜電作用與染料聚合，在篩選平板上產生肉眼可見的特殊菌落形態，根據這一特性先篩選出ε-聚賴氨酸產生菌，然后再結合其他的方法進行進一步的鑒定，從而簡化篩選過程。目前，ε-聚賴氨酸產生菌的篩選方法較多，但大多是在NISHIKAWA和OGAWA篩選方法的基礎上加以改進獲得的，它們分為3個主要步驟：(1)放線菌的篩選；(2)產ε-聚賴氨酸放線菌的初篩；(3)產ε-聚賴氨酸放線菌的復篩與產物鑒定。

1.1.1放線菌的篩選

由于ε-聚賴氨酸研究者篩選到的菌株主要是放線菌，所以ε-聚賴氨酸產生菌的篩選主要針對放線菌開展，篩選的第一步就是篩選獲得放線菌。目前主要采用的策略是在篩選培養基中添加抑菌劑來抑制細菌和真菌的生長，從而篩選獲得放線菌。大多數研究者通過在富集培養基或初篩平板中添加50～150 mg/L K2Cr7O7[6,8,13-15]來抑制細菌及霉菌的生長來獲得放線菌。HIDEO等[1]采用放線菌酮、制霉菌素抑制細菌和真菌的生長；LI等[16]則以K2Cr7O7和制霉菌素為主，加少量諾氟沙星和青霉素來聯合抑制細菌及真菌的生長以篩選放線菌。篩選到非放線菌的ε-聚賴氨酸產生菌的研究者省略了放線菌的篩選的步驟，直接在亞甲基藍平板上篩選產堿菌株[9]。

1.1.2產ε-聚賴氨酸的放線菌的初篩

ε-聚賴氨酸是一種生物堿，亞甲基藍與生物堿可因靜電排斥而形成透明圈[10]。ε-聚賴氨酸產生菌的主要研究者在初篩ε-聚賴氨酸產生菌時均采用2～50 mg/L的亞甲基藍透明圈法去篩選放線菌中產堿菌株[6,8-9,13-16]，亞甲基藍既可以添加在初篩平板中，也可以噴灑在初篩平板上[11]。

1.1.3產ε-聚賴氨酸放線菌的 復篩與產物鑒定

復篩需要鑒定菌株的發酵產物是否可以產生ε-聚賴氨酸的特征反應并做產量測定。絕大多數研究者在復篩時采用發酵產物與Drgaendorff試劑反應產生磚紅色沉淀對產物做定性鑒定[6,8-9,13-16]，該反應為ε-聚賴氨酸的特征反應。幾乎所有的研究者均采用Itzhaki法[17]定量測定ε-聚賴氨酸產生菌株搖瓶發酵產量。有的研究者輔以ε-聚賴氨酸的水解產物反應紙層析[13,15]、薄層層析[6,14-16,18]定性鑒定ε-聚賴氨酸，也有人采用高效液相色譜法[1,8,15]，以確定ε-聚賴氨酸產生菌所產ε-聚賴氨酸的特性和產量。

1.2國內外篩選到的ε-聚賴氨酸產生菌及生產能力

ε-聚賴氨酸產生菌的主要研究者均來自日本和中國。從表1可知，篩選到的產生菌的種類主要有鏈霉菌屬、芽孢桿菌屬和北里孢菌屬，其中鏈霉菌屬包含金霉素鏈霉菌、白色鏈霉菌、草綠色鏈霉菌、淺灰色鏈霉菌等等，芽孢桿菌屬則有枯草芽孢桿菌和蠟樣芽胞桿菌。從菌株的ε-聚賴氨酸的生產能力來看，菌株搖瓶發酵產量較高的大多為日本研究者篩選獲得，如StreptomycesalbulusNBRC 14147、StreptomyceslydicusUSE-11、Streptomycessp. USE-12、S.albulussubsp. USE-13、S.aureofaciern、Streptomycesnoursei(FERM P-9797)和Streptomycessp. SP-72(FERM-16820)，僅1個菌株Streptomycesgriseofuscus為我國研究者篩選。在所篩選到的菌株中，ε-聚賴氨酸的搖瓶發酵產量較高的菌株主要集中在放線菌屬的菌株，枯草芽孢桿菌、蠟樣芽胞桿菌和北里孢菌ε-聚賴氨酸的搖瓶發酵產量均不高，分別僅為0.7、0.4、0.4 g/L。在不同種類鏈霉菌中，ε-聚賴氨酸的搖瓶發酵產量相差比較大，最低的僅為0.4 g/L，而最高的金霉素鏈霉菌的產量可以達到4.5 g/L；同一種放線菌的不同菌株，其ε-聚賴氨酸的搖瓶發酵產量也有較大的差別，如放線菌菌株S.albulusNBRC 14147的搖瓶發酵產量為2.8 g/L，而S.albulusno.410的搖瓶發酵產量僅為0.5 g/L。因此，合適的菌株是提高ε-聚賴氨酸生產能力的基礎。

表1　國內外主要研究者篩選到的ε-聚賴氨酸產生菌株的生產能力

2　ε-聚賴氨酸產生菌的誘變選育

2.1誘變方法

自然界篩選到的野生菌種不論是在代謝產物產量上還是質量上均難以適合現代工業化生產的要求，誘變育種仍然是當代菌株改造的重要途徑[22]。采用合適的突變菌株篩選方法，應用物理誘變、化學誘變、以及物理誘變和化學誘變進行復合誘變的策略，研究者獲得了一批ε-聚賴氨酸產量顯著提高的新菌株。

合適的篩選方法是開展高產ε-聚賴氨酸產生菌株誘變育種的基礎，目前通常采用S-2-氨基乙基-L-半胱氨酸(S-AEC)作為篩選標記。S-AEC是賴氨酸的結構類似物，通過在培養基中添加S-AEC以選育出帶有S-AECr遺傳標記的的菌株，該標記可遺傳性地解除賴氨酸對天冬氨酸激酶的反饋抑制，增強賴氨酸代謝流，提高菌株的ε-聚賴氨酸產量。以S-AEC和甘氨酸(Gly)為抗性標記，KAHAR等[24]以S.albulus346為出發菌株，得到S.albulus410菌株，ε-聚賴氨酸產量提高了6倍； HIRAKI等[25]也以S.albulus為出發菌株，通過S-AEC為篩選標記篩選突變體，發現99%的突變體的 ε-聚賴氨酸的產量提高，其中有1株試管培養產量提高了10倍。

ε-聚賴氨酸產生菌的物理誘變方法主要有紫外誘變、等離子體誘變儀誘變和30 keV氮離子處理等，再結合合適的誘變篩選培養基，能較大幅度的提高ε-聚賴氨酸產生菌的-聚賴氨酸產量。如姜俊云[27]通過UV誘變得到產量提高15.2%的誘變菌株；楊玉紅[18]僅通過UV誘變得到產量提高20.97%的誘變菌株；張超等[29]經大劑量UV誘變處理，用 S-AEC氨基酸結構類似物平板定向育種方法，獲得1株ε-聚賴氨酸高產菌C-18，其發酵液中ε-聚賴氨酸產量較出發菌株提高42.9%，在含有50 g/L葡萄糖的培養基中，ε-聚賴氨酸積累可達1.23 g/L；譚之磊等[35]用等離子體誘變儀誘變孢子懸液，再用含有磺胺胍+甘氨酸+L-lysine+AHV 的抗性平板輔以美蘭平板篩選，得到1株S.diastatochromogenesL9，產量比出發菌株提高了13%；叢茂林等[32]以TS02菌株出發，注入不同劑量的30 keV 氮離子處理，用抗性平板結合抑菌圈的篩選方法，篩選到1株高產菌株S.albulusGC11，生產能力比出發菌株提高了1.32倍。

在化學誘變育種方面，田豐偉等[34]以白色鏈霉菌 UN2-71 為出發菌株, 對其原生質體進行DES誘變，得到 1 株穩定性好的高產菌株 D3-32，搖瓶產量達到1.56 g/L，比出發菌株提高 49.43%；陳旭升[31]利用亞硝基胍對白色鏈霉菌孢子進行誘變，用ε-PL+Gly作為抗性平板篩選高產菌株，獲得了一株產量為1.05 g/L，遺傳穩定的突變株S.albulusA-l，該突變株較出發菌株產量提高了54%；陳瑋瑋等[28]以Kitasatosporasp. PL6-3為出發菌株，經DES誘變，獲得遺傳性能穩定的突變株MY5-36，搖瓶發酵ε-聚賴氨酸產量達1.17 g/L，是出發株的3倍；平木純[23]等以S.albulus346為出發菌株，用亞硝基胍(NTG)為誘變劑，以S-2-氨基乙基-L-半胱氨酸(S-AEC)為篩選標記，選育到11011A-1菌株，菌株搖瓶發酵的生產能力提高3.3倍，他還用氯霉素處理S.albulus346菌株，得到生產能力提高9倍的菌株50833。

在復合誘變方面，張海濤等[30]以白色鏈霉菌S.albulusSF-21為出發菌株，先后采用微波，DES和UV進行復合誘變，獲得產量為0.848 g/L的菌株，比出發菌株提高了41.3%。董惠鈞[26]以S.albulusTF-1為出發菌株，先用紫外線(UV)誘變，再用硫酸二乙酯(DES)誘變得到產量提高113.5%的突變菌株。李雙雙等[33]以廣東省微生物所保藏的S.albulus-8#為出發菌株，采用UV和DES復合誘變處理，同樣用ε-PL+Gly作為抗性平板篩選，得到產量提高2.2倍的高產菌株。

2.2誘變后菌株的生產能力

根據表2可知，合適的篩選方法，可以從出發菌株中直接篩選出高產的ε-聚賴氨酸高產菌株，產量可提高6～10倍。在ε-聚賴氨酸產生菌的誘變育種研究主要以放線菌為誘變的出發菌株，且以白色鏈霉菌居多。普遍采用UV或DES誘變劑，或兩者相結合，少數采用離子束、NTG和AEC結構類似物等其他誘變劑。不同的誘變方法，其誘變效果差異明顯，中的來說，僅采用物理誘變的效果比較差，如用離子體誘變儀進行誘變后，篩選獲得的ε-聚賴氨酸產生菌的ε-聚賴氨酸產量僅提高13%；僅用UV左右誘變劑，誘變后篩選獲得的ε-聚賴氨酸產生菌的ε-聚賴氨酸產量僅提高15%～21%；只有采用30 keV 氮離子作為誘變劑，誘變后篩選獲得的ε-聚賴氨酸產生菌的ε-聚賴氨酸產量可提高1.32倍。而采用化學誘變劑進行誘變，多數情況下獲得的ε-聚賴氨酸產生菌的ε-聚賴氨酸產量可提高50%左右，效果要明顯好于僅用物理方法進行誘變。而通過復合誘變，獲得的ε-聚賴氨酸產生菌的ε-聚賴氨酸產量可提高1～2倍。因此，在ε-聚賴氨酸產生菌的誘變育種方面，物理與化學誘變劑相結合的復合誘變，更容易獲得突變的、產量顯著提高的ε-聚賴氨酸產生菌株。

表2　誘變處理后各菌株的生產能力改良情況

3　ε-聚賴氨酸產生菌的分子育種

3.1分子育種方法

為將DNA遞送到Streptomycesalbulus中，YOSHIMITSU等[37]開發了基于乙二醇介導的原生質體融合和與大腸桿菌進行屬間接合的DNA傳遞系統，該項研究中采用了新的隱性質粒穿梭載體，這項基因操作系統的開發有助于Streptomycesalbulus分子遺傳改良的開展。

LI等[38]采用基因組重排技術提高菌株Streptomycesgraminearusstrain LS-B1 對葡萄糖的耐受能力而增加菌株ε-聚賴氨酸的產量。出發菌株先經過UV和NTG復合誘變，再采用遞歸原生質體融合，篩選到的陽性融合子經過3輪基因組重排后，用含有不同濃度的葡萄糖營養瓊脂篩選，發現能耐受葡萄糖濃度較高的重組子產ε-聚賴氨酸均增高，其中重組菌株F3-4的產量比出發菌株提高了88%，搖瓶發酵達到了2.4 g/L。LI等[39]還先通過5種野生菌株的基因組重排提高ε-聚賴氨酸的產量，然后讓所有重排后的菌株通過原生質體融合進行種間雜交，通過其菌落形態及孢子的顏色來篩選改變的菌株，發現重組子FEEL-1 搖瓶產量達到1.12 g/L，比野生菌株提高了2.75倍。ZHOU等[41]通過基因組重排技術篩選到1株高耐受ε-聚賴氨酸的高產菌株，該方法采用DES誘變出發菌株，建立了初始突變體庫，經過4輪的原生質體融合，基因組重排后篩選出菌株F4-22，搖瓶培養ε-聚賴氨酸的產量為3.11g/L，比出發菌株提高了1.81倍。

表3　分子改良后菌株的生產能力

3.2分子改良育種的菌株的生產能力

國內研究者在分子育種上也取得了巨大的進展，江南大學采用不同的菌株為出發菌株，主要運用誘變育種、基因重排及原生質體融合相結合，大大提高了出發菌株的產量，單菌搖瓶發酵產量達到3.11 g/L，僅次于日本的S.aureofaciern菌株(4.5 g/L)和StreptomyceslydicusUSE-11菌株(4.0 g/L)。此外，GENG等[40]用染色體步移技術從菌株NK660中克隆到ε-聚賴氨酸的合成基因，將該基因成功導入到鏈霉菌ZX7中異源表達，篩選到的重組菌株具有合成ε-聚賴氨酸的能力。ε-聚賴氨酸合成基因的異源表達為ε-聚賴氨酸合成的分子育種提供了新的途徑。

4　ε-聚賴氨酸的應用潛力

4.1ε-聚賴氨酸應用于食品添加劑

ε-聚賴氨酸是一種天然多肽，也是一種生物堿，具有可溶于水，可生物降解。基于吸收、分布、代謝、排泄及安全性試驗，已經證實它對人體和環境無害[42]，具有廣譜的抗菌活性及優良的熱穩定性而被用于食品防腐劑[43-44]。ε-聚賴氨酸本身乳化能力低，但通過麥拉德反應與葡萄糖結合，可以顯著提高其乳化活性，優于其他的商業乳化劑，因此也被用于食品乳化劑[43,45]。胰脂肪酶可以促進腸道脂肪的吸收從而導致肥胖，但ε-聚賴氨酸可以抑制胰脂肪酶的活性，是一種可以有效消除肥胖的膳食添加劑[46]。

4.2ε-聚賴氨酸應用于醫藥

干擾素具有抗病毒和抗腫瘤的作用[47]，poly I · poly C可以誘導干擾素的產生，但血清中常常含有核糖核酸酶會很快降解poly I · poly C，導致誘導干擾素的能力低下。LEVY等將poly I poly C 與ε-聚賴氨酸溶解在0.5 %的羧甲基纖維素里，核糖核酸酶的降解活性將降低5～10倍，從而可以提高其誘導干擾素的產量。表明ε-聚賴氨酸在醫藥上很有應用前景[48]。

抗葉酸劑氨甲蝶呤(MTX)是廣泛應用的抗癌藥物，但因運載載體的缺陷而產生耐藥性[42]。ε-聚賴氨酸被證明容易被細胞攝取，且與MTX結合能顯著提高其向細胞內轉運的效率，是MTX潛在的載體，能克服MTX由于缺陷運載而產生的耐藥性[49-51]。因此ε-聚賴氨酸還能作為藥物轉送的載體。

20世紀末，利用基因修改體細胞的基因型進而治療疾病的研究已經取得了巨大進展[52-53]，而引進基因到細胞的主要障礙是缺乏運送基因的載體[42]。 ZAUNER等發現ε-聚賴氨酸之類的陽離子聚合物可以通過離子間的相互作用與DNA形成復合物，它還可以壓縮DNA分子，阻止其被核酸酶降解，具有用作基因載體的潛能[54]。然而，ε-聚賴氨酸與DNA的結合產物也具有很多缺點，溶解度低，轉染效率低，具有一定的細胞毒性等[55]。如果將ε-聚賴氨酸與乳糖和聚乙二醇結合，形成 Lac-PEG-PL復合體， 將能成功解決以上問題，成為基因轉運的有效載體[56]。

此外，ε-聚賴氨酸在醫藥上還有很多其他用途。ε-聚賴氨酸通過與氯甲基交聯，形成的水不溶性聚合物，可以有效去除細菌內毒素LPS層[57]。ε-聚賴氨酸還可以通過固定葡萄糖氧化酶，用于葡萄糖傳感器的制備[58]。早在10幾年前，含有ε-聚賴氨酸或其衍生物的納米膠囊被設計用于遞送眼藥和封裝用于在體內遞送生物活性分子的細胞系[59]。ε-聚賴氨酸還被用于吸水材料，作為生物芯片或生物電子的涂層材料等多種用途[42]。

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Research progress on the ε- polylysine producing strains and its application

SHI Hui1, LI Chan-juan1, ZHANG Jun-hong2*

1(School of Food and Biotechnology of Wuhan Institute of Design and Sciences,Wuhan 430205, China)2(College of Horticulture & Forestry Sciences of Huazhong Agriculture University,Wuhan 430070, China)

Epsilon-polylysine is a polypeptide secreted by microorganisms，which has broad-spectrum antibacterial and anti-phage activity. It is easily biodegradable and harmless to the human body. Epsilon-polylysine is mainly secreted byStreptomycesalbusgenus,KitasatofusariumandClaviceospurpurea. In recent years, it has been reported thatStreptomycesgriseoaurantiacus,Strepomycespadanus,BacillussubtilisandBacilluscereusalso can secrete epsilon-polylysine. Most of the selection methods are modified from method of Nishikawa and Ogawa to be more effective. The yield of the strain was generally improved by mutation breeding and molecular modification. DES and UV or both of them are common mutagens used in the mutation breeding, and the protoplast fusion, gene rearrangement and chromosome walking are commonly used molecular modification methods. Now, the highest yield of epsilon-polylysine producing strain for the shaking flask fermentation in the world isS.aureofaciernstrain from Japan with yield of 4.5 g/L. But the strain with the highest yield isStreptomycessp. in China and its yield reaches 3.11 g/L. Epsilon-polylysine shows broad application prospects. It has been used in food additives, especially as a food preservative. Previously research also showed that epsilon-polylysine had great application potential in medicine and biological materials.

epsilon-polylysine;selection;mutation breeding;molecular breeding

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201609044

碩士，副教授(張俊紅教授為通訊作者,E-mail: zhangjunhng@mail.hzau.edu.cn)。

2015年度湖北省教育廳優秀青年科技創新團隊項目基金(T201534)

2015-10-31，改回日期：2016-04-13