芽孢桿菌（Bacillus）細(xì)胞膜剛性的相關(guān)研究概述

摘 要：本文綜述了芽孢桿菌細(xì)胞膜剛性的相關(guān)研究成果，包括芽孢桿菌特征及分類進(jìn)化史、細(xì)胞膜及芽孢的特征、芽孢桿菌細(xì)胞膜剛性的研究的趨勢與進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：芽孢桿菌；細(xì)胞膜剛性

1.芽孢桿菌（Genus Bacillus）的特征及分類進(jìn)化史

1872年，F(xiàn)erdinand Cohn將Ehrenberg于1835年命名的“Vibrio subtils”更名為 Bacillus subtilis，建立了芽孢桿菌屬。將其描述為革蘭氏陽性、產(chǎn)芽孢的需氧桿菌。早在1884年，芽孢桿菌產(chǎn)生芽孢的特性便成為其重要的分類特征。

芽孢桿菌屬的各個(gè)成員廣泛分布于空氣、土壤與水，甚至一些極端環(huán)境（例如高海拔的空氣）。而其代謝的多樣性使它們成為商業(yè)用途較為廣泛的菌群之一。目前四類產(chǎn)品的生產(chǎn)主要依賴于芽孢桿菌：酶、生物化學(xué)制品、抗生素和殺蟲劑。隨著1970年代分子生物技術(shù)的興起，16SrDNA序列及細(xì)胞表型特征已成其分類的主要依據(jù)[1][2]。

2.細(xì)胞膜及芽孢的特征

細(xì)胞膜作為細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)組成部分，具有隔離外界環(huán)境、信息交流、能量產(chǎn)生、維持離子濃度梯度及固定膜蛋白等重要功能。目前對于細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)基于Singer and Nicholson的流動(dòng)鑲嵌模型[3]：細(xì)胞膜是由脂類雙分子層中鑲嵌可以移動(dòng)的球形蛋白質(zhì)組成。

細(xì)胞膜剛性（Rigidity）是描述細(xì)胞膜狀態(tài)的重要參數(shù)之一。研究表明，細(xì)胞膜會(huì)通過修飾自身結(jié)構(gòu)以維持一個(gè)流動(dòng)的狀態(tài)。細(xì)胞膜剛性的改變?nèi)Q于膜上脂肪與外界環(huán)境因素發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)。

由于熒光探針自身穩(wěn)定、可被重復(fù)激活與探測、不破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及操作便捷等優(yōu)勢，現(xiàn)已成為研究細(xì)胞膜常用的工具。目前，1，6-二苯基-1，3，5-己三烯（DPH）探針被廣泛使用[4]。作為一個(gè)極度疏水親脂對稱的探針，DPH能夠滲透進(jìn)膜的疏水區(qū)并于脂肪酸鏈平行附著，隨著DPH的不斷插入細(xì)胞膜將會(huì)引發(fā)熒光強(qiáng)度增強(qiáng)[5]。

芽孢在惡劣環(huán)境下由營養(yǎng)細(xì)胞形成。在環(huán)境適宜時(shí)，芽孢被重新激活、萌發(fā)后發(fā)芽，再次變?yōu)闋I養(yǎng)細(xì)胞[6]。

芽孢代謝上處于休眠狀態(tài)，與營養(yǎng)細(xì)胞完全不同的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)分為：外壁、芽孢殼、外膜、皮層、芽孢壁、內(nèi)膜與 核芯。其中芽孢內(nèi)膜上脂肪分子的狀態(tài)使其具有極低的滲透性，保護(hù)芽孢內(nèi)DNA免受侵害[7]。研究表明，芽孢內(nèi)膜會(huì)在之后芽孢發(fā)芽時(shí)變?yōu)闋I養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞膜。

3.芽孢桿菌細(xì)胞膜剛性的研究意義及進(jìn)展

隨著當(dāng)代人們對食物帶來的健康作用的重視，人們要求食物質(zhì)量好、新鮮、低鹽又不含防腐劑。這便催生了加工工序少的即食食物。傳統(tǒng)的巴氏消毒殺菌方式具有諸多局限性（例如影響口味、降低食物營養(yǎng)價(jià)值），而新興的加熱技術(shù)（例如高溫短時(shí)消毒（HTST）與超高溫殺菌（UHT））由于無法保持食物的新鮮口味與質(zhì)地，仍不能滿足生產(chǎn)上的需求。目前，一種被稱為非熱處理技術(shù)在食品行業(yè)發(fā)展迅速，然而這種處理方法中最重要的安全隱患便是食源性病原菌的芽孢抗性問題[8]。

自Homeoviscous Adaptations理論的提出，人們對于營養(yǎng)細(xì)胞膜的脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)對于外界環(huán)境變化的反應(yīng)機(jī)理已充分研究。而關(guān)于休眠芽孢細(xì)胞膜剛性以及芽孢與營養(yǎng)細(xì)胞之間細(xì)胞膜剛性聯(lián)系的相關(guān)研究并未廣泛展開。已有研究數(shù)據(jù)表明應(yīng)用于熒光偏振分析法的DPH探針可以準(zhǔn)確定位到特定芽孢桿菌菌種的芽孢內(nèi)膜，進(jìn)而說明DPH探針以其不破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)可被廣泛應(yīng)用于芽孢細(xì)胞膜剛性研究[9]。

相信在不久的將來，通過對于芽孢桿菌細(xì)胞膜剛性的相關(guān)基礎(chǔ)研究，能讓我們更好地理解芽孢的抗性機(jī)理，從而指導(dǎo)相關(guān)行業(yè)更新相應(yīng)消毒殺菌技術(shù)（例如通過特定成分的加入來改變細(xì)胞膜的相關(guān)特性與功能），進(jìn)一步提升食品行業(yè)安全生產(chǎn)的管理水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]Harwood， C. R.， Ed. （1989）. Introduction of Biotechnology of Bacillus. Bacillus. New York， Plenum Press.

[2]Logan， N. A. （2012）. "Bacillus and Relatives in Foodborne illness." J Appl Microbiol 112（3）： 417-429.

[3]Singer， S. J. and G. L. Nicolson （1972）. "The fluid mosaic model of the structure of cell membranes." Science 175（23）： 720-731.

[4]Trevors， J. （2003）. "Fluorescent probes for bacterial cytoplasmic membrane research."Journal of Biochemical and Biophysical Methods 57（2）： 87-103.

[5]Mykytczuk， N.， J. Trevors， et al. （2007）. "Fluorescence polarization in studies of bacterial cytoplasmic membrane fluidity under environmental stress." Progress in Biophysics and Molecular Biology 95（1）： 60-82.

[6]Moir， A. （2006）. "How do spores germinate？" Journal of Applied Microbiology 101（3）： 526-530.

[7]Setlow， P. （2006）. "Spores of Bacillus subtilis： their resistance to and killing by radiation， heat and chemicals." Journal of Applied Microbiology 101（3）： 514-525.

[8]Lado， B. H. and A. E. Yousef （2002）. "Alternative food-preservation technologies：efficacy and mechanisms." Microbes and Infection 4（4）： 433-440.

[9]Voss， D. and T. J. Montville （2014）. "1， 6-Diphenyl-1， 3， 5-hexatrine as a reporter of inner spore membrane fluidity in Bacillus subtilis and Alicyclobacillus acidoterrestris."Journal of Microbiological Methods 96： 101-103.

作者簡介：

劉修齊（1988-）女 ，畢業(yè)于美國羅格斯新澤西州立大學(xué).