Production of multiple bacteriocins, including the novel bacteriocin gassericin M, by Lactobacillus gasseri LM19, a strain isolated from human milk

通過加氏乳桿菌 LM19（一種從母乳中分離的菌株）生產(chǎn)多種細(xì)菌素，包括新型細(xì)菌素氣體絲膠蛋白

來源：Applied Microbiology and Biotechnology (2020) 104:3869–3884

 

1. 論文摘要核心內(nèi)容

 

研究從人乳中分離出Lactobacillus gasseri LM19菌株，發(fā)現(xiàn)其能產(chǎn)生多種細(xì)菌素，包括一種新型細(xì)菌素gassericin M。通過基因組分析、肽純化與合成、體外結(jié)腸模型實(shí)驗(yàn)，證實(shí)LM19在模擬腸道環(huán)境中能存活、表達(dá)所有細(xì)菌素基因，并產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFA）。與病原體Clostridium perfringens共培養(yǎng)時(shí)，LM19可維持腸道微生物群穩(wěn)態(tài)，表明其具有益生潛力。

2. 研究目的

 

探究LM19菌株的抗菌特性及益生潛力，具體目標(biāo)包括：

 

鑒定其產(chǎn)生的細(xì)菌素類型（含新型gassericin M）；

 

驗(yàn)證細(xì)菌素的協(xié)同抗菌活性；

 

評估其在模擬結(jié)腸環(huán)境中的存活能力、基因表達(dá)及代謝功能；

 

分析其對腸道微生物群組成的影響。

 

3. 研究思路

 

1.菌株分離與基因組測序：

 

從人乳分離LM19，全基因組測序（NCBI登錄號SHO00000000）。

2.抗菌活性篩選：

 

通過覆蓋層、交叉劃線、濾片擴(kuò)散等實(shí)驗(yàn)測試對病原體（如Salmonella、E. coli、C. perfringens）的抑制效果（表2）。

 

3.細(xì)菌素基因簇鑒定：

 

使用BAGEL4和antiSMASH分析基因組，發(fā)現(xiàn)3個(gè)細(xì)菌素基因簇（圖1a），包括新型gassericin M（GamM/GamY）。

 

 

4.肽純化與合成：

 

從細(xì)胞提取物和上清液中純化肽（圖2, 3），化學(xué)合成6種肽（GamA、GamX、Bact_1、Bact_2、GamM、GamY）。

 

 

 

 

5.活性與協(xié)同作用驗(yàn)證：

 

合成肽中GamA和Bact_2抑菌活性最強(qiáng)；Bact_1與Bact_2、GamA與Bact_1存在協(xié)同作用（圖4）。

 

 

6.體外結(jié)腸模型實(shí)驗(yàn)：

 

在模擬結(jié)腸環(huán)境中接種LM19，監(jiān)測其存活、細(xì)菌素基因表達(dá)（RT-qPCR，圖6b）、SCFA產(chǎn)生（NMR，圖6d）及微生物群變化（16S rRNA測序，圖6c）。

 

 

7.丹麥Unisense電極應(yīng)用：

 

使用Unisense pH電極（型號pH-000-85282）實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)酵液pH，確保環(huán)境穩(wěn)定性（方法部分）。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 抗菌活性數(shù)據(jù)（表2）

 

 

數(shù)據(jù)：LM19對L. bulgaricus抑制最強(qiáng)（+++），對C. perfringens和L. innocua有中度抑制（++）。

 

意義：證實(shí)LM19廣譜抗菌能力，為益生菌應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

 

(2) 細(xì)菌素基因簇鑒定（圖1）

 

 

數(shù)據(jù)：發(fā)現(xiàn)3個(gè)基因簇，包括新型雙肽細(xì)菌素gassericin M（GamM/GamY）。

 

意義：揭示LM19產(chǎn)生多種細(xì)菌素的遺傳基礎(chǔ)，新型gassericin M擴(kuò)展了抗菌肽資源庫。

 

(3) 肽純化與質(zhì)譜分析（圖2, 3）

 

 

數(shù)據(jù)：MALDI-TOF-MS確認(rèn)GamM（4126 Da）、GamY（4107 Da）等肽的質(zhì)量（圖2b, 3c）。

 

意義：直接證明新型細(xì)菌素存在，為后續(xù)活性研究提供純化物。

 

(4) 合成肽活性與協(xié)同性（圖4）

 

 

數(shù)據(jù)：合成GamA和Bact_2抑菌活性最強(qiáng)；Bact_1與Bact_2顯著協(xié)同（圖4b-c）。

 

意義：闡明多肽協(xié)同增強(qiáng)抗菌效果的機(jī)制，為設(shè)計(jì)復(fù)合抗菌劑提供思路。

 

(5) 結(jié)腸模型中的基因表達(dá)（圖6b）

 

 

數(shù)據(jù)：RT-qPCR顯示所有細(xì)菌素基因在24小時(shí)均表達(dá)（如helveticin-J-like、gamM）。

 

意義：證明LM19在復(fù)雜腸道環(huán)境中仍能發(fā)揮抗菌功能。

 

(6) 微生物群與SCFA分析（圖6c-d）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

16S rRNA測序：LM19增加Lactobacillales豐度，維持微生物群穩(wěn)態(tài)（圖6c）。

 

NMR檢測：LM19顯著提升乙酸、丙酸等SCFA產(chǎn)量（圖6d）。

 

意義：SCFA增強(qiáng)腸道屏障功能，LM19通過調(diào)節(jié)菌群和代謝物發(fā)揮益生作用。

 

5. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的深層意義

(1) 技術(shù)應(yīng)用背景

 

 

電極型號：Unisense pH-000-85282（方法部分）。

 

功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)酵液pH值，確保模擬結(jié)腸環(huán)境（pH 6.8）的穩(wěn)定性。

 

(2) 研究意義

 

 

環(huán)境穩(wěn)定性保障：pH是影響細(xì)菌素活性及微生物代謝的關(guān)鍵因素。Unisense電極提供高精度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確保實(shí)驗(yàn)條件接近人體結(jié)腸生理狀態(tài)（中性微酸）。

 

代謝活性關(guān)聯(lián)：pH穩(wěn)定與SCFA產(chǎn)生直接相關(guān)（圖6d）。電極數(shù)據(jù)證實(shí)LM19在維持適宜pH環(huán)境下高效產(chǎn)生SCFA，強(qiáng)化其益生功能的可靠性。

 

技術(shù)優(yōu)勢：相較于傳統(tǒng)pH試紙或間歇采樣，Unisense電極的連續(xù)監(jiān)測能力避免了環(huán)境波動對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，為腸道模型研究提供方法論范本。

 

6. 研究結(jié)論

 

1.新型細(xì)菌素發(fā)現(xiàn)：LM19產(chǎn)生包括gassericin M在內(nèi)的多種細(xì)菌素，其中GamM/GamY為新型雙肽細(xì)菌素。

2.益生潛力：

 

在模擬結(jié)腸環(huán)境中存活并表達(dá)所有細(xì)菌素基因；

 

提升SCFA產(chǎn)量，增強(qiáng)腸道健康；

 

與C. perfringens共培養(yǎng)時(shí)維持微生物群穩(wěn)態(tài)，抑制病原體過度增殖。

3.應(yīng)用前景：LM19可作為益生菌候選株，用于維護(hù)腸道菌群平衡及抗感染治療。

 

7. 核心圖示

 

LM19的益生作用機(jī)制：

 

[腸道環(huán)境] → [LM19存活] → [表達(dá)細(xì)菌素基因] → [分泌抗菌肽] → [抑制病原體]

↑

[Unisense電極監(jiān)測pH] → [穩(wěn)定環(huán)境] → [促進(jìn)SCFA產(chǎn)生] → [增強(qiáng)腸道屏障]

 

研究啟示：

 

丹麥Unisense電極通過高精度實(shí)時(shí)pH監(jiān)測，為模擬腸道實(shí)驗(yàn)提供了關(guān)鍵的環(huán)境穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，凸顯其在微生物-宿主互作研究中的不可替代性。未來可拓展至其他氣體或離子（如H?S、O?）的實(shí)時(shí)檢測，深化對益生菌代謝機(jī)制的理解。