群體感應調控乳酸菌生物膜環境脅迫應激機制研究進展

孔振楊 季小康 趙傳萍 姚斯萌 盛林霞 姚沛琳

摘 要：乳酸菌對發酵食品質量的形成和安全意義重大，是發酵食品生產過程中的主要微生物之一。乳酸菌在發酵過程中受到多種環境脅迫的影響，而群體感應（quorum sensing，QS）系統能夠介導細菌生物膜的形成，從而提高其環境耐受性。LuxS /AI-2介導的群體感應系統在特定環境下調控乳酸菌的AI-2的活性和luxS的轉錄水平，如高鹽、高酸等。主要對乳酸菌群體感應系統及其分類，群體感應調控乳酸菌環境脅迫應激機制進行了綜述，并展望了今后的研究方向，以供發酵食品質量及其質量安全控制的乳酸菌群感調控時參考。

關鍵詞：乳酸菌；群體感應；環境脅迫；發酵食品

乳酸菌是革蘭氏染色陽性菌，因其安全性和益生效果在食品工業上應用更廣泛。目前已報道其有益生理功能有抑制致病微生物生長、調節腸道菌群、改善消化系統癥狀等。乳酸菌的抗逆特性在許多生產和應用場景中都具有重要意義。細菌為了抵御外界的不良環境，往往以生物膜的狀態存在。微生物分泌到胞外的物質使細胞間相互連結的同時為微生物提供了天然屏障，因此細菌生物膜狀態下相較浮游態具有更強的耐藥性、耐熱性等性能[1]。

一、乳酸菌群體感應及其分類

群體感應是指細菌通過自誘導物相互聯系，調節其群體行為的一種感應現象。細菌通過向四周環境釋放某種信號分子，并感知該信號分子的濃度變化進行調控相關基因的表達，對相關的行為性狀調控。群體感應系統由自誘導劑、感應蛋白和下游調控蛋白組成。

（一）寡肽類介導的乳酸菌QS系統

革蘭氏陽性菌通過AIPs誘導分子進行-種內信息交流，當胞外AIPs達到濃度閾值時，TCS系統被激活，從而調控目標基因的表達。寡肽類介導的QS系統可調控乳酸菌的生理特性如，在食品中的存活率、定殖在腸道中的能力以及細菌素合成等 [2]。

目前已證實由 QS系統調節部分 I 型和大部分 II 型兩類細菌素的生物合成，主要通過三組分調節系統的AIP來控制。Ge 等從中國酸菜發酵液中分離出一種副干酪乳桿菌 HD1-7能夠產生Paracin1.7型細菌素。實驗顯示，細菌素Paracin1.7的產生與菌株密度有很大的聯系，HD1-7菌與其他細菌共培養時產生的細菌素更多。此外，枯草芽孢桿菌與其他測試菌株相比，誘導菌株HD1-7 產生Paracin1.7 型細菌素的能力更強。

（二）AI-2介導的乳酸菌的QS系統

種間信號交流是不同種細菌細胞間的信號通訊方式，由AI-2 和其生物合成關鍵酶LuxS組成的QS系統（ LuxS /AI-2 系統），以AI-2作為信號分子感知環境變化，介導G+和G-細菌的種間細菌交流。

Lebeer等研究發現，鼠李糖乳桿菌luxS基因缺失突變株形成生物膜的能力下降，而AI-2前體分子或野生型菌株外源加入后，突變株的生物膜形成可得到部分彌補，但無法恢復原狀。Deng Zhaoxi等將鼠李糖乳桿菌luxS基因敲除后，添加人工合成的 AI-2 可以部分彌補變異株的缺陷，也得到了生物膜形成、胞外多糖分泌和粘附等受損害的類似結果。

在群體感應LuxS/AI-2系統中，除了luxS基因，pfs基因也是合成信號分子AI-2的關鍵基因。pfs基因編碼S-腺苷高半胱氨酸核苷酸酶（Pfs）可將S-腺苷高半胱氨酸（SAH）水解成S-核苷高半胱氨酸（SRH）和腺嘌呤，在LuxS蛋白作用下，SRH繼續參與AI-2的合成。Sun等的研究也表明，luxS表達于大腸桿菌可以恢復AI-2合成[3]。

二、環境脅迫下群體感應參與的乳酸菌調控機制

外界環境變化會觸發乳酸菌的群體感應從而調控生物膜的形成，也增強菌體的抗逆性。L. reuteri 菌體在pH為2.7的情況下分別處理5和15 分鐘后，其中luxS基因在酸脅迫作用下，表達水平分別上調2～3倍和3～4倍，產生更多的信號蛋白。Lin等從中國傳統發酵肉制品中分離出3種乳酸菌，通過qRT-PCR分析，這3株菌的鹽脅迫應激反應均由LuxS /AI-2 QS 系統調控。在高鹽脅迫下所有菌株luxS基因的轉錄水平與鹽濃度呈正比，基因表達均明顯上調。在舊金山乳桿菌中，外源添加AI-2信號分子可提高菌株的膽鹽耐受性。luxS基因過表達增強了菌株的耐熱能力，也促進L. paraplantarum L-ZS9信號分子AI-2產生。

乳酸菌的抗逆性以及正常的生理功能發生變化，與 luxS基因的缺失存在關聯。Jia等考察了植物乳桿菌KLDS1.0391的抗逆性，luxS基因的缺失顯著影響了菌株耐酸性和膽鹽耐受性。Lebeer 等胃汁中L. rhamnosus GG與其luxS基因突變株的生存率的比較證實了luxS基因能提高菌株對酸脅迫的耐受性，從而保持較高的生存率。

三、多組學在乳酸菌生物膜形成調控機制中的應用

乳酸菌從浮游態到聚集形成生物膜的各個步驟中涉及到的調控機制非常復雜，需要從整體上加以研究。Yang等[10]利用全基因組測序分析了Lactobacillus citrem 37中合成AI-2的關鍵基因，Met K、DNMT1、pfs、lux S、mmu M這五個基因參與了AI-2的合成，其中發揮重要作用的是pfs、luxS基因。此外，參與生物被膜及群體感應相關的信號通路可能還有碳代謝、信號轉導、細胞膜轉運等相關基因有26個基因。

四、結語與展望

生物膜是區別于浮游生活方式的一種特定微生物生活方式。生活方式的改變基于他們基因表達的改變和新陳代謝的改變。因此，對生物膜形成機制的研究將有助于理解微生物的基因轉錄和代謝的全局調控與被膜態生活方式之間的關系，對生物膜整體形成機制的認識也有助于生物膜的控制和應用。希望未來在食品工業中建立具有科學背景的生物膜的控制和應用技術，這項技術自然會應用于醫療領域以及其他各個行業。

參考文獻：

[1] 陸文偉，林炳諭，尹一婷，等.雙歧桿菌生物膜成膜規律及特性研究[J].中國食品學報，2017，17（12）：42-49．

[2] 吳旭光，王紅，徐一凡，等.豬源腸外致病性大腸埃希氏菌的生物膜形成能力及耐藥性[J].微生物學通報，2020，47（1）：162-171．

[3] 王志航，馮雪，李樹仁．細菌群體感應通訊系統淬滅及應用[J].藥物生物技術，2018，25（ 5） ： 70-74.