鄭 維， 權(quán)春善，趙 晶， 許永斌

(大連民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 國(guó)家民委教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116600)

芽孢桿菌產(chǎn)環(huán)脂肽類化合物結(jié)構(gòu)與生物合成機(jī)制研究進(jìn)展

鄭 維， 權(quán)春善*，趙 晶， 許永斌

(大連民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 國(guó)家民委教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116600)

芽孢桿菌產(chǎn)環(huán)脂肽類化合物結(jié)構(gòu)多樣，具有較強(qiáng)的抗菌活性，在農(nóng)業(yè)和食品等應(yīng)用廣泛。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)部分環(huán)脂肽具有拮抗人體病原菌及抗腫瘤等的藥用價(jià)值。本文對(duì)芽孢桿菌產(chǎn)環(huán)脂肽類化合物的生物功能、結(jié)構(gòu)和生物合成機(jī)制的研究進(jìn)展做一總結(jié)。

環(huán)脂肽 ； 芽孢桿菌； 結(jié)構(gòu) ；生物合成

芽孢桿菌屬(Bacillus)革蘭氏陽(yáng)性桿菌，在自然界分布廣泛，可以分泌多種環(huán)脂肽類化合物。其中部分環(huán)脂肽類物質(zhì)具有較好的抗菌活性物質(zhì)，比如表面活性素(Surfactin)、伊枯草菌素(Iturin)和豐源素(fengycin)等)[1]。這些環(huán)脂肽類化合物主要由肽段和脂肪酸鏈組成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在芽孢桿菌內(nèi)通過非核糖體途徑合成，作為次級(jí)代謝產(chǎn)物排出菌體體外。這類物質(zhì)分子量較低，現(xiàn)有研究表明，環(huán)脂肽類物質(zhì)主要具有抗菌、抗炎、抗病毒、抗腫瘤等生物學(xué)功能。本文主要對(duì)芽孢桿菌產(chǎn)生的肽類抗生素的生物活性、結(jié)構(gòu)以及及其生物合成研究成果進(jìn)行了綜述，同時(shí)對(duì)這些肽類抗生素的生產(chǎn)及開發(fā)進(jìn)行展望。

1 環(huán)脂肽的生物學(xué)功能

芽孢桿菌所產(chǎn)生的不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的環(huán)脂肽具有多樣化的功能。以往的研究結(jié)果集中于環(huán)脂肽在拮抗植物病原菌中所具有的重要作用。近年來(lái)，科學(xué)家在環(huán)脂肽研究的相關(guān)工作中發(fā)現(xiàn)，一些芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)脂肽類物質(zhì)具有抗人體病原菌和抗腫瘤等作用[2-4]。來(lái)源于Bacillus velezensis H3的Surfactin異構(gòu)體可以抑制金黃色葡萄球菌、分枝桿菌、肺炎克雷伯菌、銅綠假單胞菌和白色念珠菌等病原菌[5]。從枯草芽孢桿菌SSE4的培養(yǎng)液中分離到一種新的脂肽類抗生素subtulene A，可以有效拮抗革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌，其中包括人類病原體如嗜麥芽窄食單胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)，陰溝腸桿菌(Enterobacter cloacae)，其中陰溝腸桿菌是院內(nèi)感染的嚴(yán)重的耐藥病原體[6]。稀有海洋芽孢桿菌菌株產(chǎn)生的Fengycin異構(gòu)體的活性物質(zhì)可以有效抑制微球菌、大腸桿菌、枸櫞酸桿菌，糞腸球菌和粘質(zhì)沙雷氏菌等[7]。從內(nèi)生解淀粉芽孢桿菌ES-2培養(yǎng)液中分離得到的Fengycin和Surfactin脂肽具有強(qiáng)烈抑制革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌生長(zhǎng)以及除了人蒼白桿菌(Ochrobactrum anthropic)外所有的革蘭氏陰性細(xì)菌[8]。伊枯草菌素和豐源素的在抗植物病原真菌中顯示了良好的活性[9]。因?yàn)榄h(huán)脂肽的表面活性劑效果，脂肽表面活性劑可誘導(dǎo)人紅細(xì)胞溶血，可以使用脂肽表面活性劑作為纖維蛋白凝塊形成的強(qiáng)效抑制劑。Bernheimer和Avigad證明由枯草芽孢桿菌來(lái)源的枯草溶菌素具有可以使纖維蛋白形成凝塊，并抑制作用紅細(xì)胞溶血等作用[10]。Arima等人首次探討了表面活性劑是通過抑制纖維蛋白單體轉(zhuǎn)化為纖維蛋白聚合物纖維蛋白凝塊形成抑制劑[11]。Aranda等學(xué)者研究了抗菌脂肽Iturin的有效溶血活性，得到了使人體紅細(xì)胞溶血的伊枯草菌素最低劑量濃度[12]。近些年來(lái)也有研究表明，環(huán)脂肽類物質(zhì)同樣具有抗腫瘤活性。Hajare S N等人從解淀粉芽孢桿菌菌株的次級(jí)代謝產(chǎn)物中分離出了一種環(huán)脂肽，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)肺腺癌細(xì)胞，腎癌細(xì)胞和結(jié)腸腺癌細(xì)胞3種癌細(xì)胞具有不同程度的殺傷作用。

2 肽類抗生素的結(jié)構(gòu)特征

芽孢桿菌同一株菌可以同時(shí)產(chǎn)生多種環(huán)脂肽的異構(gòu)體。環(huán)脂肽的合成包括含親水的肽鍵的多肽部分和親油的脂肪烴鏈兩部分組成。表面活性素Surfactins、伊枯草菌素(Iiturin)、抗霉枯草菌素(Mycosubtilin)、桿菌抗霉素(Bacillomycin)、Bacillopeptins結(jié)構(gòu)中的脂肪酸鏈直接參與肽環(huán)形成的化合物，豐原素 (Fengycin)和制磷脂素(Plipastatin)的脂肪酸鏈不參與肽環(huán)形成。芽孢桿菌產(chǎn)生的各種脂肽化合物異構(gòu)體取決于多肽的氨基酸殘基序列和環(huán)化方式的不同，以及脂肪酸鏈的長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)區(qū)別等因素。肽段大約是由十肽環(huán)構(gòu)成，同時(shí)還帶有一個(gè)氨基酸尾鏈，肽段中的氨基酸通常由必須氨基酸或非必須氨基酸組成，其中非必須氨基酸中包括D型氨基酸和羥基氨基酸或N-甲基氨基酸。因此，非核糖體多肽結(jié)構(gòu)多樣化，也具有了重要的生物活性[13]。

3 多肽抗生素的生物合成

微生物產(chǎn)生的環(huán)脂肽化學(xué)結(jié)構(gòu)比較豐富。在過去的十年間，研究人員對(duì)于環(huán)脂肽的生物合成機(jī)制和基因調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究。環(huán)脂肽是由非核糖體肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase，NRPS)復(fù)合體以非核糖體多肽的方式催化合成。NRPSs是多模塊酶識(shí)別，每個(gè)模塊允許在一個(gè)特定的肽部分氨基酸的摻入，從而激活，修飾和鏈接氨基酸中間體到產(chǎn)生的肽[13-14]。典型的模塊域包括以下四個(gè)部分：腺苷化結(jié)構(gòu)域(amino acid activating domain, A)、巰基化功能域 (T)、縮合功能域 (condensation domain, C)和硫酯酶結(jié)構(gòu)域(thioesterase domain, TE)。此外還有一些非核糖體肽合酶上還包括環(huán)化域(cyclization domain, Cy)、甲基轉(zhuǎn)移酶域(methyltransferase domain, MT)、差向異構(gòu)化域(epimerization domain, Er)等。合成酶在模塊上有效分步，其上的每個(gè)模塊依次將相應(yīng)氨基酸組合到多肽鏈中。所以非核糖體多肽化合物的結(jié)構(gòu)多樣化往往伴隨著重要的生物學(xué)活性[13]。

3.1 肽段的生物合成

多肽部分是由非核糖體肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase，NRPS)復(fù)合體以非核糖體多肽的方式合成[13]。合成酶在模塊上有效分步，其上的每個(gè)模塊依次將相應(yīng)氨基酸組合到多肽鏈中[13]。

多肽合成的過程如下：具有氨基酸激活功能的A結(jié)構(gòu)域從底物中選擇結(jié)合特定的氨基酸，由底物氨基酸的腺苷酸反應(yīng)激活轉(zhuǎn)化為氨酰腺苷酸。然后氨酰酰苷酸與T結(jié)構(gòu)域的磷酸泛酰巰基輔基的巰基以共價(jià)方式結(jié)合形成硫酯鍵，組成后的氨酰-S-載體復(fù)合體上的氨基與C結(jié)構(gòu)域的肽?；孽；M(jìn)行親核反應(yīng)，形成新肽鍵。從而延長(zhǎng)了一個(gè)氨基酸的肽酰載體復(fù)合物進(jìn)入下一個(gè)肽酰形成的反應(yīng)。最終，在完成肽鏈的延伸后，TE域終止合成肽鏈，將肽鏈釋放下來(lái)，并進(jìn)行環(huán)化。

3.2 脂質(zhì)體部分的生物合成

脂肽脂質(zhì)部分的生物合成是由數(shù)個(gè)模塊耦合來(lái)完成，對(duì)肽鏈的脂肪酸鍵進(jìn)行活化。Duitman等學(xué)者將其歸納為五個(gè)步驟[15]，首先，域的?；o酶A連接酶(Al)耦合的輔酶A脂肪酸?；钚灾舅岷螅D(zhuǎn)移到第一個(gè)域的?；d體蛋白輔因子4-phosphopantethein(ACP)。同時(shí)，一個(gè)丙二酰輔酶A固定到ACP2域。丙二?；蝓サ拇呋目s合(KS)合成酶結(jié)構(gòu)域?qū)е乱煌サ男纬伞ＭマD(zhuǎn)化為氨基酸的轉(zhuǎn)氨基脂肪酸。氨基脂肪酸可以通過縮合結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)移到硫醚化域。它可以連接到一個(gè)氨基轉(zhuǎn)移酶的固定肽部分的氨基酸生物合成的第一個(gè)模塊。最終實(shí)現(xiàn)合成、脂肽可修改特定酶的糖基化或鹵化的合成酶相關(guān)。

4 展望

近年來(lái)全基因組測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，芽孢桿菌全基因組測(cè)序逐漸完成，隨著已知和潛在的功能基因得以發(fā)現(xiàn)。采用基因敲除、基因隨機(jī)突變和定位突變等方法，對(duì)突變菌株進(jìn)行篩選，相關(guān)基因被克隆、分析，脂肽類抗生素合成途徑和調(diào)控方式已經(jīng)解明。利用合成生物學(xué)和組合生物學(xué)的理論和方法對(duì)芽孢桿菌產(chǎn)生的脂肽類物質(zhì)進(jìn)行分析和表達(dá)，為發(fā)現(xiàn)更多潛在的天然新型環(huán)脂肽類化合物的發(fā)現(xiàn)打開了嶄新的局面，從而更加提高了芽孢桿菌在工業(yè)上的應(yīng)用范圍。

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(本文文獻(xiàn)格式：鄭 維， 權(quán)春善，趙 晶，等.芽孢桿菌產(chǎn)環(huán)脂肽類化合物結(jié)構(gòu)與生物合成機(jī)制研究進(jìn)展[J].山東化工，2016，45(08)：51-52，54.)

Research Progress on the Structure and Biosynthetic Mechanism of Lipopeptides by Bacillus

Zheng Wei, Quan Chunshan*, Zhao Jing, Xu Yongbin

(College of Life Science, Key Laboratory of the State Ethnic Affairs Commission-Ministry of Education, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Lipopeptides which are produced by Bacillus showed structure various, and strong antibacterial activity in the agriculture and food is widely used in many fields. Lipopeptide have been proven that they had bioactivities, such as antibacterial, antithrombin and antitumor, etc. in recent years. This paper reviewed the research progress in structure and biosynthetic of the lipopeptides which are produced by Bacillus.

lipopeptide; Bacillus; structure; biosynthesis

2016-03-07

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)( DC13010312)

鄭 維(1978—)，女，遼寧大連人， 工程師，碩士， 研究方向: 微生物；通訊作者: 權(quán)春善( 1973—)，女，黑龍江佳木斯人，大連民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院教授，博士．研究方向: 微生物。

Q936；S476

A

1008-021X(2016)08-0051-02