2024年3月12日发(作者:数学周记怎么写)
专论与综述 中 国 酿造 2016年第35卷第12期
总第298期 ● 。 ●
环脂肽的研究进展
黎循航 ,张言周,,魏志文t,管政兵 ,蔡宇杰 ,廖祥儒
(1.江南大学工业生物技术教育部重点实验室,江苏无锡214122;2.江西农业大学生物科学与工程学院,江西南昌330045;
3.盐城师范学院,江苏盐城224051)
摘要:脂肽主要通过微生物的非核糖体合成酶途径合成。由于其具有广谱抗菌活性、生物表面活性剂活性、低毒、可生物降解等多种
佣废弃物生产日I觇 亨面综述其研究进展。
生物学功能而引起人们广泛的关注。环脂肽是由非极性的脂 i酸链结合极性的氨基酸肽链部分陶J茂,其中,氨基酸肽链自身成环或与部分
脂肪酸链结合成环。从环脂肽的结构、生物合成机制、合成调控、发酵方式、产量抛 翱
关键词:环脂肽;非核糖体合成酶;生物合成机制;合成调控;废弃物
中图分类号:Q一1 文章编号:0254—5071(2016)12—0005—07 doi:10.11882/j.issn.0254—5071.2016.12.002
Recent advances in cyclic lipopeptide
LI Xunhang ,ZHANG Yanzhou。,WEI Zhiwen ,GUAN Zhengbing ,CAI Yujie ,LIAO Xiangru
f1.KeyLaboratoryofIndustrialBiotechnology,MinisOyofEducation,Jiangnan University,Wuxi214122,China;2.College ofBioscienceand
Engineenng,JiangxiAgrDulture University,Nanchang330045,China;3.Yancheng Teachers Universi ̄Yancheng224051,China)
Abstract:Lipopeptides are primarily synthesized by nonfibosomal peptide sntyhetases OqRPSs)of microorganism.Diverse functional properties such
as broad-spectrum ntiamicrobial activity,biosurfactant activity,low toxiciy tand biodegradability oflipopeptides attracted many researchers’attention.
Cyclic lipopeptides are constituted wih non-poltr faatty acid chain covalent binding to polar amino acid peptide chain,whereby,fatty acid peptide
chain covalent binding to cyclic amino acid peptide chain or participate in peptide cyclization.The research progress of lipopeptide structure,biosyn-
thetic mechanism,biosynthesis regulation,fermentation pattem,yield optimization strategy and waste utilization to produce lipopeptides were re-
viewed.
Key words:cyclic lipopeptides;nonribosomal peptide synthetases;biosynthetic mechanism;biosynthesis egrulation;waste
细菌和真菌感染是造成农作物和采收后水果蔬菜腐
败损失的主要因素。尤其在过去的几十年里随着农产品
产量的增加,病虫害导致的经济损失越来越严重。为应对
越演越烈的病害,人们对农药的需求愈加强烈。但是,大
量农药的使用不仅导致农作物根际土壤微生物生态系统
的平衡被破坏及植物病原菌的抗药性的产生,而且使病
虫害的抗药性增加,并对环境造成严重危害。因此,研发
更为绿色环保的防治方法来替代单一化学农药备受
关注。
制、合成调控、发酵方式、产量优化策略及利用废弃物生产
脂肽等方面的研究进展进行了总结。
1环脂肽结构
依据肽链的拓扑结构的不同,微生物所产生脂肽可以
分为环状脂肽和线状脂肽。环状脂肽包括多粘菌素(poly-
myxin)、达托霉素(daptomycin)隶面活『生素(surfactin)、伊枯
草菌素(imfin)、芬荠素(fengycin)、paenibacterin和pseu—do-
factin等。
1.1 Polymyxin
此外,随着抗生素的发现及广泛应用,病原微生物对
常用抗生素产生耐药性增强的现象普遍出现,如越来越
多的多重耐药病原细菌的出现给人类健康带来巨大的威
胁。研究发现从微生物中寻找新的抗菌物质是有效缓解
病原菌耐药性产生的解决方案之一。
脂肽是细菌产生的具有多种生物活性物质。其中环
脂肽在抑制植物病原菌和多重耐药病原细菌方面均展现
独特的能力。本文对近年来环脂肽的结构、生物合成机
收稿日期:2016.09—17
一
Polymyxin是由类芽孢杆菌(Paenibacillus spp.)产生的
类阳性环状十元脂肽,见图1(1)。其中肽链部分c末端
的7个氨基酸构成环状,另Pb3个氨基酸呈链状与脂肪酸侧
链连接【1】。Polymyxin发现于20世纪4O年代后期,起初用于
治疗革兰氏阴性细菌感染,但临床应用发现其对人体具
有显著的肾毒性和神经毒素危害而被限制使用。近年来,
随着临床多重耐药病原菌的出现,polymyxin再次成为可
用于治疗此类革兰氏阴性病原菌的备选抗生素。其中
基金项目:无锡农业科技支撑项目(CLE01N1310);江苏省产学研前瞻项目(BY2014023.28);江西省青年科学基金(20122BAB214027)。
作者简介:黎循航(1978.),男,讲师,博士,主要从事微生物次级代谢产物研究工作。
+通讯作者:廖祥儒(1964一),男,教授,博士,主要从事生物化学与分子生物学研究工作。
6.2。’ № 2
‘ ‘ S Ieria O N 298
.
.
Ghina Brewi
na
t ̄rewtng
Forum and Summary
polymyxin B和polymyxin E由于抗病原菌效果较强和毒副
病[3]。Daptomycin在钙离子存在的情况下,与细菌细胞质膜
中的阴性的磷脂酰甘油发生交互作用,破坏细胞膜的完
整性,起到抗菌作用。
1.3 Paenibacterin
作用相对较低而得以临床应用。但有临床报道表明
polymyxin B能够引起患者体内组胺释放导致机体血管舒
张和血压降低[2】。
n、R——L-Dabl——L・TbJ2——D-Dab3——L・Dab4——L-Dab5——D・LcL ̄6——L-Thr7——L-Dab8——L-Dab9——L-Tlrl0
Paenibacterin是由溶硫胺类芽孢杆菌(Paenibacillus
thiaminolyticus)OSY.SE产生带正电荷的环状脂肽,由13
pol3anyxm A
po1)au3xin B L-Dab3;D-Phe6;L-L Il7
个氨基酸和c15脂肪酸酰基侧链构成,见图l(3)。Paeni.
bacterin对包括单增李斯特菌(Listeria monocytogenes)、
L-errs.L・ p7…DAlas L- p9 L-GlyL0
pol3au3"gaa E:L-Dab3:D-Leu6;L-Lea17
R 7,j6- 基辛酸或仲辛酸
2)R L-Trpl…DAsa2 L-脚3 L-Thr4…LGly5
MRSA、大肠杆菌(Es erichia coh3 O157:H7、伤寒沙门氏
doptolllyem L———————————————————一 KDI13 3ln-(Ylul2一D—s l1
R y 甓酰
(3)R Om1 Val2
R y 受酰
4、R L-Gbt I.-Ser2 L-Thr3 L-Leu4 L
psemlofnem I l——————————————————
懈endo cln【j L Lets
R 棕榈酸侧磷
CH,
5)CH -CH。(CH2) -CI4。CH2-CO L-G1uI
sxnfaotin I、:I卜7 L—L.Leu7 D.LA
sttrfa ̄tin B n=8
 ̄trfaotfil C。n=9
sxtrfaet/,1 D n=l0
6)cH ’(cH2)
。
n
0I2 。∞ L一 1 。。lr、T2 。’A蜘。 L。Gl ’4
NH I 一S 7 D’A, ̄16 L.Pro5
1tmlIlA
ba ̄illomyoin L L-Aspl L-se—L-Glu5 D・s 6 L-11Ⅱ7
baeillomyoin D.L一:k ̄ll、1.-Pro4,L-Ght5.1)・Set6.L-Thr7
baeillonnoin F L-A 1、I -Gin4.I.-Pn^D- n6 L・111|7
myoosubtilin:L- 1、L ̄ln4 L-ProS D・Set6 I.-ASh7
lPl0-13
(JH
CH -(CH 2).aJII-CPI 2"CO L-Glul D。( 2 、lT3 D’Thr4 L-Glu5
9
m A I一liel0 I -I、忡 L-(Hll8
t ̄ngycin B D-Val6
nl2.I,
图1不同脂肽结构
Fig.1 Primary structures of lipopeptides
1.2 Daptomycin
Daptomycin是由玫瑰孢链霉菌解淀粉芽孢杆菌
(Streptomyces roseosporus)产生的一种酸性环脂肽,见
图1(2)。由13个氨基酸组成,其中在Kynl3的羧基和Thr4
的羟基间形成酯键,构成包含l0个氨基酸的大环内酯链,
环Pb3个氨基酸残基连接C 。~c。 脂肪酸酰基链。Dapto.
mycin对包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin—re.
sistant Staphylococcus aul'eus,MRSA)、耐万古霉素肠球菌
(vancomycin.resistant Enterococci,VRE)和耐青霉素肺炎
链球菌(Penicillin-resistant Streptococcus pneumoniae,PRSP)
在内的革兰氏阳性多重耐药菌具有很好的防治效果。
2003年最先被美国食品药品监督管理局(food and drug
administration,FDA)批准在美国上市,商品名为Cubicin,
可用于皮肤感染、心内膜炎、脊髓炎、软组织感染、炭疽
菌(Salmonella typhi)在内的革兰氏阳性和革兰氏阴性细
菌具有杀菌活性 。体外试验表明,paenibacterin所带正电
荷能够与大肠杆菌外膜层带负电荷的内毒素结合,破坏
细胞膜的完整性,造成钾离子从胞内流出[5】。
1.4 Pseudofactin
Pseudofactin II是由荧光假单孢菌(Pseudomonas lfuo.
1'escens)BD5产生的环状脂肽,由八元肽与棕榈酸构成,
见图【4)。由于其脂肪酸侧链不带有羟基基团,相比于sur—
factin、iturin或polymyxin,pseudofacm II的抑菌活力微弱,
但能够有效预防致病微生物在导尿管、植入体和人工血
管内粘着并抑制病原菌形成生物膜。PseudofacmII具有降
低表面张力的功能且没有溶血活性,所以其可作为表面
涂布剂用于医疗器械[6]。此外,其能通过质膜的透化作用
对人类黑素瘤A375具有细胞毒性作用[71。
1.5 Surfactin
Surfactin是由芽孢杆菌(Bacillus)产生的具有抗生素
作用的脂肽。由7元肽和c ,~c。 脂肪酸酰基链组成,见
图1(5)。Surfactin具有出色降低表面张力的能力,对G+ ̄IIG’
细菌具有拮抗作用,也具有抗病毒、抗支原体和抗肿瘤等
作用。由于其具有溶血作用,存在水解哺乳动物细胞的风
险,在医疗上的应用受到限制。携带C 链疏水性脂肪酸侧
链的surfactin具有显著的溶血活性嘲。GAO Z等[9】研究发现
由解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)WH1产生
的菌纤维素(fungin),属于surfactin的类型之一,通过免疫
调节作用对小鼠模型中对1型糖尿病具有改善作用。
1.6 Iturin
Iturin是由枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)产生的环状
脂肽,具有7元肽部分和长度为C。,~c。 的 .羟基脂肪酸
链,见图1(6)。肽链中脂肪酸长度的改变导致iturin具有多
样性,可分为iturin A,iturin C,iturin D,iturin E,bacil.
1omycin LcStlmycosubtilin。Iturin ̄够生物防治多种植物病
原菌,如:Xanthomonas campestris cucurbitae,Pectobacteri-
um carotovo171m subsp.Carotovorum,Rhizoctonia solani,
Fusariumgraminearum等。
1.7 Fengycin
Fengycin是由B.subtilis或Paenibacillus产生的具有抗
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5
2们6
总第
3
期
2
9 8
期
・
7・
真菌作用的脂肽,由10元肽和C ~c 脂肪酸酰基链构成,
见图1(7)。其能扰动细胞质膜的脂质双分子层和在局部静
电驱动重建 ,对丝状真菌具有广谱抗菌作用。相对于其
他脂肽,丰原素(fengycin)的溶菌活性较弱,所以在制药领
域的使用有限。可成为治疗皮肤真菌病(念珠菌病和皮
模块在肽链延伸过程中负责特异性识别、激活并结合特
定底物。在NRPSs合成过程中,PCP结构域必须由无活性
的脱辅酶形式转化为有活性的全酶形式。通过磷酸泛酰
巯基乙胺基转移酶(phosphopantetheinyl trasferase,PPTase)
的催化作用,CoA的泛酰巯基乙胺基以磷酸二硫键连接到
癣)潜在的药品。
2生物合成机制
对脂肽合成相关基因分析鉴定表明,脂肽是由一系
列相关基因簇共同表达调控合成。其中大多数环状脂肽
是由非核糖体合成酶(nonfibosomal peptide synthetases,
NRPSs)催化合成。所不同的是,iturin家族脂肽由NRPSs与
聚酮合酶(polyketide synthases,PKSs)形成PKS/NRPS杂交
的生物合成的模板指导合成。
NRPSs是由多个功能化模块组成的复合酶体系,且每
个模块又由多个具有催化功能的结构域组成。根据组成
模块和结构域的不同,N】 Ss能够合成大量结构和功能具
有显著差异的肽类物质。最基本的NRPSs由启动模块、核
心模块和终止模块3部分组成。其中主要的结构域包括腺
苷酰化(adenylation,A)结构域、缩合(condensation,C)结
构域、肽酰基载体蛋白(peptidyl carrier protein,PCP)结构
域和硫酯酶(thioesterase,TE)结构域。除此之外,许多
NRPS模块中还包含一些其他的结构域,如羟基化(hy-
droxylation,H)结构域、糖基化(glycosylation,G)结构域、
氨基转移酶(aminoWansferase,AMT)结构域、甲基化(methy-
lation,MT)结构域、氧化酶(oxidase,Ox)结构域、还原酶
(reductase,Re 构域、甲基转移酶(methyltransferase,MT)
结构域、环化(cyclization,Cy)结构域、浓缩/差向异构化
(condensation/Epimerization,C/E)结构域。
NRPSs典型核心模块的排列方式为C—A—PCP。其中A
结构域(约550个氨基酸,50 ku)负责肽链延伸过程中识别
特定氨酰单体;PCP结构域(约80个氨基酸,8~10 ku),具
有一个硫醇位点用于共价结合酰基肽链延伸过程中的底
物或中间产物。C结构域(约450个氨基酸,50ku),负责其
上下游PCP上氨酰基底物间的缩合反应。NRPSs的起始模
块通常为A—PCP,A结构域识别肽链合成的第一个氨基
酸,将其共价结合 ̄IJPCP结构域上。但个别NRPss的起始
模块由C—A.PCP组成, ̄tHplipastatin。C结构域起到将氨基
酸N末端进行酰基化作用[1l】。NRPSs的终端模块通常由
C.A.PCP—TE组成,其中TE结构域具有水解和环化作用,
通过还原酶催化硫醇还原生产多肽前体物质。
非核糖体肽的化学合成是将一些小的构建单体通过
化学迭代缩合构成线性寡聚物。参与NI ss合成的前体不
限于20种蛋白氨基酸,其构建单元的种类超过3o0种,如非
蛋白质氨基酸、羧基酸和羟基酸等。其中一些构建单体是
由微生物产生的专一性酶催化初级代谢产物而成。每个
PCP结构域中一特定丝氨酸残基侧链上,形成以硫醇为末
端的泛酰巯基乙胺基结合臂。肽链延伸过程中,氨酰基链
和肽链共价结合在泛酰巯基乙胺基结合臂的硫醇位点。
在M 存在的条件下,A结构域识别特定氨基酸,并消耗1
个三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)活化氨基酸残
基的羧基形成氨酰基.AMP的酸酐混合物,随后将氨酰基
基团安装 ̄IJPCP结构域的硫醇位点。C结构域催化上游
PCP硫醇位点的肽基与下游PCP硫醇位点的亲核氨酰基
间形成C-N键,并将肽基基团转移到氨酰基团,使肽链增
加一个氨酰残基。
D氨基酸残基普遍存在于脂肽的肽链结构中,对脂
肽生物学功能的实现起到重要作用。由于微生物细胞中
大多缺失I)-氨基酸,尤其是非蛋白质类I).氨基酸。研究表
明用于NRPSs合成的D-氨基酸主要来自两条途径。其一,
外部的消旋酶产生I)-氨基酸,随后被A结构域选择识别并
活化。其二,NRPSs模块中包含的差向异构酶能催化氨基
酸旋光性的改变,使工广氨基酸转变为I)-氨基酸。在革兰氏
阳性细菌中通常包含一个约50 l(u的差向异构酶结构域,
可对参入的厶氨基酸残基单体进行差向异构化作用,形成
D氨基酸【 。该模块的结构为C。A.PCP—E,其中E结构域将
工厂氨酰基底物或肽基底物转变成D构象,并使二者浓度保
持相对平衡。在随后的肽键形成过程中,比邻E结构域下
游的c结构域特异性排斥L氨基酸,仅D氨基酸被接纳参
与下游肽基合成【埘。
3环脂肽合成调控
表1 各种环脂肽合成NRPSs的基因组成
Table 1 Genetic organization of the NRPSs of diverse cyclic
lipopeptides
脂肽 NRPSs基因组成
Polymyxin pmxA、pmxB、pmxE
Daptomycin
dp 、dptBC、dptD
Corpeptin
crpC、crpD、crpE
Pelgipeptin
plpD、plpE、plpF
Surfactin srfA、srtB、srfC、srlD
Iturin
ituA、ituB、ituC、ituD
Bacillomvcin
brnyA、bmyB、bmyC、bmyD
Fengycin fcnA、fcnB、fenC、fenD、fenE
8.2们6 N。・
。 。 Seri a 0I N 298
.
.
Chi Brewi
China Brewing
Forum and Summary
脂肽的合成通常受到组成NRPSs基因表达的影响
(见表1)。调控其中各个基因的转录能够有效的改变脂肽
表达量。
脂解酶,Hpc基因编码磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶[19】。
3.5 Surfactin合成基因
Surfactin合成基因簇为 基因簇,其中srfA、srfB、srfC
由p刀1x基因簇编码合成,其中pmxA、pmxB和pmxE ̄
到NRPss作用,识别特异氨基酸合成肽链。pmxC、 似D位
于pmx基因簇中间负责编码腺苷三磷酸结合盒转运蛋白
TP.binding cassette,ABC),编码2个跨膜转运蛋白。敲
和s舡I起到NI ss作用编码肽链。在芽孢杆菌中,群体效
应对脂肽的合成起到重要作用。 ̄Isurfactin基因的表达伴
随着菌体密度的增加,尤其在从指数生长期转向稳定生
长期时表达量最高,而fengycin ̄litufin基因的表达出现在
除这两基因将导致polymyxin产生量降低。etcB基因编码
二氨基丁酸氨基转移酶,负责polymyxin@ ̄蛋白质氨基
稳定生长期的后期。在各种脂肽中,surfactin的调控机理比
较明确。Surfactin生物合成的调控网络包括感受态调节蛋
酸残基2,4。二氨基丁酸(2,4一diaminobutyric acid,Dab)合
成。菌株e纠 基因缺失导致不产polymyxin。abrB基因编码
一
种DNA结合蛋白,可结合于pmxA的启动区域从而抑制
转录的发生,阻断polymyxin的合成。spoOA基因编码的
SpoOA蛋白能够竞争性结合abrB基因,导致AbrB蛋白合
成受阻,从而解除其对polymyxin合成的阻遏【l4】。Yu z等【
研究发现在发酵35 h后添加脂肽结构前体氨基酸会抑制
脂肽合成相关基因的表达,从而显著抑¥1polymyxin E的
合成。L—Dab会抑¥1pm,,A、pmxE ̄因及2,4.氨基丙酮酸氨
基转移酶合成基因ectB基因的表达。L.Leu和D.Leu能抑
制pmxA基因表达。L Asp能抑制ectB、pmxA、pmxE基因
的表达。
3.2 Daptomycin ̄-f成基因
Daptomycin ̄dp堪因簇编码合成,其中d口tA、dptBC
和dptD基因起到NRPSs作用。Daptomycin的13个氨基酸中
Om6、MeGlul2和Kynl3为非蛋白质氨基酸残基。其中Om
来源于菌体的初级代谢,而不在daptomycin合成基因簇
中。dp嬉因编码蛋白将S.腺苷甲硫氨酸(S adenosylme
thionine,SAM)的甲基转移到 .酮戊二酸生成3.甲基仅.酮
戊二酸,进而通过转氨反应生成甲基谷氨酸。dp蝴码的
色氨酸.2,3.双加氧酶催化L Trp犬鸟氨酸形成N.甲酰犬尿
氨酸,在犬尿氨酸甲酰胺酶作用下脱甲酰基形 。合
成基因簇附近的@tR2基因负责编码DptR2调节因子。该
调节因子是非特异性调节因子,能调控daptomycin的合
成,但不调节dpc基因的表达 。
3_3 Cor1)eptin合成基因
Pseudomonas corrugata CFBP 5454合成的corpeptin为
环状脂肽,编码NRPSs的基因为crpC、crpD、crpE。当菌体
处于高密度时,诱发crpC基因的表达。与群体效应相关的
LuxR基因转录调控因子(PcoR和RfiA)对crpC基因的表达
具有积极作用【18】。
3.4 Pelgipeptin合成基因
Paenibacfflus e培 B69合成的pelgipeptin,pip基因簇负
责脂肽的合成,其中编码NRPSs的基因为plpD、pipe、plpF。
Pelgipeptinl ̄肽的1,3,6位置含有3个非蛋白质氨基酸(L-2,
4一二氨基丁酸),I ̄plpA基因负责编码。plpB ̄因编码胞外
白ComA/ComP、细胞密度相关信息素ComX和磷酸酶相
关蛋 ̄tRapC。菌体生长过程中合成的信息肽ComX分泌到
胞外,当ComX达到某一浓度菌体便会诱导细胞膜上组氨
酸激酶ComP磷酸化调节子ComA,ComA.P绑定在srfA的
启动子区域,启动surfactin的合成。RapCt ̄够对ComA.P去
磷酸化,从而抑¥1surfactin的合成。RapC活力取决于细胞
内五肽磷酸酶调节蛋白PhrC的浓度。低浓度Pl 导致
RapC ̄活力,进而促进sf躔因的表达,而高浓度PhrC抑制
surfactin的生物合成。细胞PhrC浓度受 ̄lSpoOK透性酶
的影响,其功能为协助PhrC透过细胞膜进行转运。 因
的表达还受到其他转入因子的调节,如:正调节因子 ̄DegU
蛋白和H O 胁迫响应因子PerR)和负调节因子(AbrB以及
GTP感应因子CodY)[20-2”。
3.6[turin ̄成基因
Iturin家族脂肽合成受到多种调控网络的调控。如
Mycosubtilin的合成受到AbrB蛋白的调节。bacillomycin D
的合成受到多重调控。DegU直接激活b脚y操纵子的表达。
在bmyr ̄动子区域上游有两个位点可以结合DegU。第一
个位点位于接近转绿起始区域上游.123~.99 bp;第二位
点在位于上游.201~ 172 bp。第一结合位点绑定DegU能
触发DNA链发生弯曲,从而使第二位点能与DegU发生有
效的结合,第二位点的结合对于bmy操纵子的启动是必须
的。降解酶调节蛋白(DegQ)是一种多效调控蛋白,含有46
个氨基酸,调控降解酶、胞内蛋白酶及几种胞外酶的表达。
研究表明DegQ能够促进非核糖体途径合成的抗生素的产
生,并有利于提高bacillomycin D的产量。与DegU作用机
制相比,DegQ采用间接调控方式促进bmy基因的表达,而
媒介蛋白为DegU。原因是:(1)DegQ与典型转录调节蛋白
无同源性;(2)DegQ过量表达不能弥补由于DegU缺失对
bacillomycin D合成的影响;(3)当DegQ与bmyD启动子区
域两个结合区域完全绑定后,DegQ对6my基因表达的调
控作用才开始显现。DegQ与环腺苷酸蛋白激酶的小部分
区域具有同源性,可能具有促进DegU的转磷酸化作用[221。
研究发现ComAtl够促进degQ基因的表达,通过DegQ间
接影响bacillomycin D的生物合成吲。此外,bacillomycin D
的合成也受到细胞内膜蛋 ̄YczE的影响。当敲除解淀粉
专论与综述 中 国 酿造 2016年第35卷第12期.9.
总第298期 一
芽孢杆菌FzB42中lyczE基因,会完全抑¥1Jbacillomycin D的
合成,而不会影响其他抗菌肽的合成 。
4环脂肽发酵方式
的合成呈正偶联关系。
4.3无泡沫法生产脂肽
此外,一些学者尝试建立无泡沫产生的发酵方法生
脂肽为两性分子,发酵罐中好氧微生物分泌的脂肽
在通气和搅拌的条件下会产生大量泡沫。泡沫顺大气压
力降低方向运动排出罐体,造成代谢产物和料液的流失
并造成污染。为防止泡沫产生,通常在发酵过程中流加消
泡剂将泡沫抑制在合理水平。随着脂肽不断合成,所消耗
产脂肽类物质。 ̄oriNo A等刚利用B.subtilis以豆腐渣和
豆渣为底物进行固体发酵,surfactin最大产量为2.0 g/kg
(湿质量)。SLWINSKI C T等 利用Bacillusptunilus未
水解的豆渣和甘蔗渣质量比(1:1)为底物进行固体发酵,
甘蔗渣主要起到膨松剂的作用,其surfactin的产量达到
消泡剂的量也不断增加。由于消泡剂的价格高,且在下游
纯化工艺中难以去除,所以,消泡剂的大量使用会增加脂
肽生产成本,在规模化生产中难以实现。至今脂肽的发酵
生产规模仅限于实验室水平。为此,许多学者采用不同发
酵方式尝试解决泡沫带来的问题。
4.1泡沫收集法生产脂肽
早期解决此问题的办法是提高罐内搅拌剪切力或气
体压力,但二者均不能有效消除脂肽产生的泡沫。2001年,
DAVIS D A等[251提出采用泡沫溢出法回收发酵液中的所
含的表面活性产物。相对于不含菌体细胞的发酵液,含有
菌体细胞的surfactin的发酵液能更高效的产生泡沫,且泡
沫中液体的含量更多。而不含菌体细胞的surfactin发酵液
的富集比例最高可达5l,高于含有菌体细胞的发酵液,二
者的surfactin回收率均达到97%左右。在转速为166 r/arin
的条件下,通过泡沫收集的surfactin量达到1.2 g/L。YAO
S等闭同样采用泡沫溢出法发酵生产surfactin。研究发现,
在转速和通气量质量分别维持在150 r/min和1 wm的条件
下,泡沫中surfactin的质量浓度可以维持在4 g/L的水平,
最高质量浓度可以达到4.7 g/L。
4.2添加固形物生产脂肽
一
些学者研究则采用在发酵培养基中添加固形物质
提高生物表面活性剂的产量。FOX S L等 在使用B.sub.
tilisATCC 21332发酵生产surfactin时发现,以固体土豆替
代可溶性土豆汁能更有效的合成surfactin,推测固体底物
可能更适合surfactin的合成。YEH M S等例也尝试在发酵
液中添加固体载体物质,包括:活性炭、琼脂和膨胀黏土,
以测试这些物质对枯草芽孢杆菌产surfacfin的影响。试验
结果证明,固型添加物能有效促进surfactin的合成,其中添
加活性炭的效果最为显著。活性炭在发酵过程中能够有
效提高菌体的浓度,进而提高surfactin的产量。当在发酵液
中添加25 g/L活性炭时,surfactin的产量达到3.6 g/L,而对
照的产量只有0.1 g/L。随后,YEH M S等 结合泡沫溢出
法和添加固型载体法的特点,在发酵罐内添加活性碳,并
在发酵罐外连接泡沫收集罐,细胞回收装置和surfactin沉
淀装置,尝试提高surfactin的产量。结果表明,在未添加消
泡剂的情况下,surfactin ̄够稳定和高效的产生,产量最高
达到6.45 g 。试验同时表明氧气体积传质系数与surfactin
6.5 eCkg干物质。类似固体发酵法也用于iturin的发酵生产,
iturin的产量达到14 g/kg干物质,为液体发酵产量的10倍
左右[32]。PIEDRAHITA.AGUIRRE A等[33】研究在发酵iturin
时通气量对固体发酵过程中压力变化、氧气消耗、培养基
的渗透性、温度变化造成的影响。结果表明,在通气量为
0.4 L/min时,iturin的质量分数达到5.58 ga g干物质。
CouTTE F等 利用无泡沫生成生物反应器生产sur-
factin和fengycin。由于在气液界面上安装了中空纤维膜,
发酵液在发酵过程中不会产生泡沫。Surfactin产量达到
0.242 g/L,且其中的大部分吸附在中空纤维膜上。而
COI rE F等 则采用旋转碟片生物反应器生成surfactin,
发酵过程中,菌体悬浮生长并在碟片上形成生物膜。
当碟片旋转暴露在空气中时,菌体能利用罐内的氧气进
行有氧呼吸,surfactin最大产量达到0.212 。而当罐内氧
含量受限制时,菌体产生fengycin的量则会超过surfactin的
产生量。有趣的是,WILLENBACHER J等【 尝试采用厌氧
发酵法生成surfactin。BacillU8 subtilis DSM 10T在厌氧发
酵罐中发酵,虽然surfactin最大产量只有0.087 g/L,但通过
计算以消耗葡萄糖产生surfactin的产品转化率发现,sur-
蠡lc觚厌氧发酵的转化率达到0.278 g/g,该数值高于大多数
通气液体深层发酵的产品转化率。
5产量优化策略
许多学者应用多种策略优化提高脂肽产量。如为提
高玫瑰孢链霉菌(Streptomyces roseosporus)产daptomycin的
水平,常用策略是采用Plackett-Burman设计、最陡爬坡试
验、响应面设计和均匀设计等方法优化培养基组分或培
养条件[36-371。其次优化daptomycin合成前体物质癸酸的补
料起始时间、补料流加方式策略也有助于daptomycin发酵
水平的提高[38-39]。
6利用废弃物合成环脂肽
脂肽除用于化妆品行业和医药行业,也可用于农业,
如:种植业和养殖业。而目前脂肽的价格偏高限制其在农
业应用范围。在脂肽生产过程中,底物成本占据总成本的
10% ̄30%左右。而利用农业或食品行业中产生的废弃物
生产脂肽,即可有效降低脂肽的生产成本,又可缓解废弃
物对环境造成的危害。近年来,许多研究关注于利用农业
废弃物稻秆和食品生产后的废液,如玉米浆、面条生产后
・
1 0・
o
1s6 V
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.
。恙 China Brewing
得较高的脂肽产量(见表2)。
Forum and Summary
的废水、压榨橄榄油后的废弃物和长时间煎炸食物后的
食用油等生产脂肽类物质,在降低生产成本的同时,也获
表2微生物利用不同废弃物合成脂肽
Table 2 Lipopeptides synthesized by microorganisms with diferent waste substrates
7展望
fengycin and model bilayers quantiied by coarsfe—grained molecular
环脂肽类物质在多个领域中都表现出潜在的应用价
值,但目前产率低,生产成本高及代谢调控理论的不完善
均阻碍了脂肽的广泛应用。未来可通过高产菌株的选育和
基因工程技术的改选使脂肽的产量达到工业化生产水平。
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