吴重德等： 乳酸菌生理功能的系统解析与代谢调控 ． / 微生物学报（ 2012 死 亡，从 而 降 低 食 品 微 生 物 制 造的效率。因此，基 于 乳 酸 菌 为 主 体 的 食 品 微 生 物 制造过程中，需要： （ 1） 对乳酸菌的代谢能力进行重 构与优化； （ 2 ） 从 鲁 棒 性 （ Robustness） 和 对 营 养 环 境条件的适应性（ Fitness） 两方面调控和优化乳酸菌 的 生 产 性 能 ，以 实 现 目 标 代 谢 产 物 的 产 量 、产 率 和 生 产强度的提高。
1 基于基因组工程技术的乳酸菌生理 功能解析
以基因组序列 为 基 础 的 系 统 生 物 学 的 发 展，为 从 基 因 表 达 、蛋 白 质 组 的 时 序 变 化 、代 谢 物 含 量 及 代 谢流量比率等方面 全 局、深 度 解 析 工 业 微 生 物 在 合 成目标代谢产物 的 过 程 中，发 生 在 基 因、酶、生 化 反 应、代谢网络等层次 上 的 时 序 变 化 提 供 了 强 有 力 的 工 具 ，从 而 为 代 谢 途 径 的 重 构 与 优 化 、生 产 性 能 的 调 控 与 优 化 奠 定 了 坚 实 的 基 础［7］ 。 1. 1 乳酸菌全基因组测序研究进展及其在乳酸菌 生理功能解析中的应用
作为 食 品 微 生 物 制 造 的 主 体，乳 酸 菌 用 于 食 品 制造中首先要求细 胞 能 够 定 向、高 效 地 生 产 目 标 代 谢 产物，因此必须干扰或改变微生物原有的 调 控 体
表 1 乳酸菌在食品工业中的应用
Table 1 Applications of lactic acid bacteria
乳酸菌生理功能的系统解析与代谢调控
吴重德1，2 ，张娟1，2* ，刘立明1，2*
江南大学，1 食品科学与技术国家重点实验室，2 工业生物技术教育部重点实验室，无锡 214122
摘要： 作为工业化的细胞工厂，乳酸菌广泛应用于食品、农业和医药等行业。然 而 在 乳 酸 菌 的 工 业 生 产 中 以 及 作 为 益 生 菌 在 人 体 胃 肠 道 系 统 中 都 会 面 临 多 种 环 境 胁 迫 ，这 些 胁 迫 环 境 严 重 影 响 乳 酸 菌 的 生 理 功 能 ，从 而 影 响 食 品 微 生 物 制 造 的 效 率 。 近 年 来 ，随 着 代 谢 工 程 和 系 统 生 物 学 的 发 展 ，为 乳 酸 菌 生 理 功 能 的 改 造 带 来 了 前所未有的机遇。本文综述了系统生物学和代谢工程在乳酸菌生理功能的优化和调控中的具体应用。 关键词： 乳酸菌，生理功能，代谢工程，系统生物学 中图分类号： Q935 文献标识码： A 文章编号： 0001-6209 （ 2012） 01-0022-08
由表 2 可 知，乳 酸 菌 的 基 因 组 具 有 以 下 特 点： （ 1） 全基因 组 的 长 度 在 1. 8 － 2. 9 Mb 之 间，但 干 酪 乳杆菌 ATCC334 和植物乳杆菌 WCFS1 的基因组达 到了 2. 95 和 3. 35 Mb； （ 2 ） G + C 含 量 通 常 为 50% 左 右，最 高 为 60. 1% （ 双 歧 杆 菌 ） ，最 低 为 32. 9% （ 唾 液 乳 杆 菌 UCC118 和 德 式 乳 杆 菌 ATCC BAA-
转录组学数据在解析乳酸菌生理功能的进展包 括： （ 1 ） 解 析 抵 御 环 境 胁 迫 的 生 理 机 制： Broadbent 等［28］发现在酸胁 迫 条 件 下 L． casei ATCC 334 组 氨 酸合成中的 8 个基因簇（ LSEI_1426-1434 ） 和组氨酸 渗透酶 基 因 显 著 上 调，通 过 外 源 添 加 组 氨 酸，使 L． casei 酸胁迫 （ pH 2. 5 ） 条 件 下 的 存 活 率 提 高 了 100 倍。另一方面，Pieterse 等研究 L． planturum WCFS1 在乳酸 / 乳酸盐、pH、渗透压 等 胁 迫 下 的 基 因 表 达 差 异，发现了一组编码 细 胞 表 面 蛋 白 并 高 表 达 的 基 因 在乳酸响应环境胁迫过程中发挥重要作用； （ 2） 解 析乳 酸 菌 糖 代 谢 机 理： Barrangou 等［29］ 研 究 了 L． acidophilus NCFM 以 葡 萄 糖、果 糖、蔗 糖、半 乳 糖、海 藻 糖 、棉 籽 糖 和 低 聚 果 糖 为 碳 源 时 的 全 基 因 表 达 谱 ， 发现摄取单糖 （ 葡 萄 糖、果 糖 ） 和 二 糖 （ 海 藻 糖 和 蔗 糖） 时需要 PTS； 而 多 糖 （ 棉 籽 糖 和 低 聚 果 糖 ） 的 利 用需要 ABC 转 运 系 统，乳 糖 和 半 乳 糖 的 摄 取 需 要 GPH 转 运 系 统； （ 3 ） 挖 掘 代 谢 调 控 因 子： Azcarate 等［30］ 发 现 嗜 酸 乳 杆 菌 NCFM 的 组 蛋 白 激 酶 的 双 组
Acetaldehyde Lactococcus lactis
［1］
ingredients Diacetyl
Lactococcus lactis
［2］
Amino acid L-Alanine
Lactococcus lactis
［3］
γ-aminobutyric Lactococcus brevis acid
基金项目： 国家自然科学基金重点项目（ 20836003 ） ； 国家“973 项目”（ 2007 CB714303 ） ； 江苏高校优势学科建设工程资助项目 * 通信作者。张娟： Tel： + 86 -510 -85918307 ，Fax： + 86 -510 -85918309 ，E-mail： zhangj@ jiangnan． edu． cn； 刘立明： mingll@ jiangnan． edu． cn 作者简介： 吴重德 （ 1982 － ） ，男，四川成都人，博士研究生，主要从事乳酸菌生理功能与组学方面的研究。E-mail： wuchongde@ 163 ． com 收稿日期： 2011 -06 -07 ； 修回日期： 2011 -09-25
Application Product
LAB
References
Dairy
Hard Cheese
Lactococcus lactis
［1］
Leuconostoc spp．
Yoghurt
Streptococcus thermophilus ［1］
Lactobacillus delbrueckii
Flavour
乳 酸 菌 （ lactic acid bacteria，LAB ） 是 一 类 可 发 酵碳水化合物并以 乳 酸 为 主 要 产 物 的 细 菌，广 泛 存 在于自然环境中并对人体发挥着重要的生理功能。 同 时 ，作 为 一 类 重 要 的 工 业 微 生 物 ，乳 酸 菌 菌 体 及 其 代谢产物广泛应 用 于 食 品、医 药、饲 料、精 细 化 学 品 等工业领域中。尤 其 在 食 品 工 业 中，乳 酸 菌 广 泛 应 用 于 生 产 奶 制 品 、香 精 香 料 、氨 基 酸 、多 糖 、生 物 活 性 物质（ 叶酸和共 轭 亚 油 酸 ） 、防 腐 剂 等 （ 表 1 ） 。乳 酸 菌具有营养需求复 杂、能 量 合 成 效 率 低 以 及 在 生 长 过程中存在产物 抑 制 等 生 理 特 性。 此 外，由 于 乳 酸 菌属于分类地位差 异 很 大 的 细 菌 类 群，对 其 生 理 功 能 解 析 、调 控 的 研 究 进 展 缓 慢 。 因 此 ，在 深 入 解 析 乳 酸 菌 生 理 功 能 的 基 础 上 ，全 局 优 化 、调 控 其 代 谢 能 力 对提升乳酸菌食品微生物制造效率具有重要的理论 和应用价值。
微生物学报 Acta Microbiologica Sinica 52（ 1） ： 22 － 29； 4 January 2012 ISSN 0001 － 6209； CN 11 － 1995 / Q http： / / journals． im． ac． cn / actamicrocn
Mini-Review 小型综述
过去 的 几 十 年 间，人 们 运 用 传 统 诱 变 和 生 化 工 程 等 手 段 对 乳 酸 菌 进 行 改 造 ，优 化 其 代 谢 特 性 ，在 一 定程度上显著提升了乳酸菌的生产效率。近年来， 随着乳酸菌全基因组序列测序工作的不断推进以及 代 谢 工 程 操 作 手 段 的 不 断 更 新 ，使 得 全 局 上 理 解 、阐 释乳酸菌的生理功 能，并 采 用 代 谢 工 程 或 生 化 工 程 手段更为有效地定向调控乳酸菌的生理功能成为现 实。本文在总结乳酸菌基因组工程技术研究进展的 基础上，对乳酸菌生 理 功 能 的 解 析 和 调 控 进 行 了 总 结。
随着 第 一 株 乳 酸 菌—乳 酸 乳 球 菌 乳 酸 亚 种 （ Lactococcus lactis ssp． lactis ILl403 ） 全 基 因 组 测 序 工作于 2001 年完成［8］，在世界范围内掀起了乳酸菌 全基因组测序的浪潮，至 2010 年，超过 34 株乳酸菌 基因组 测 序 工 作 相 继 完 成 并 向 国 际 公 共 数 据 库 （ www． uniprot． org） 递交了全基因组序列（ 表 2） 。
365） 。乳酸菌全基因 组 测 序 的 完 成，为 全 面 分 析 和 阐释其生 理 功 能 奠 定 了 坚 实 的 基 础［7］： （ 1 ） 乳 酸 菌 具有完整的碳源转运和代谢系统； （ 2） 能量代谢途 径： 乳酸菌主要通过糖酵解途径来获取能量，但基因 组分析发现 乳 酸 乳 球 菌 IL1403 基 因 组 中 还 有 编 码 有氧呼吸的酶类，表明存 在 其 他 产 能 途 径［8］； （ 3 ） 生 长因子合成途径： 基因组分析发现不同种属乳酸菌 的氨基酸合成途径 存 在 不 同 程 度 的 缺 失，如 嗜 酸 乳 酸菌、约氏乳杆菌等 缺 乏 维 生 素 和 嘌 呤 核 苷 酸 合 成 必 需 的 关 键 酶 ，而 植 物 乳 杆 菌 则 可 合 成 除 亮 氨 酸 、异 亮氨酸、缬氨酸以外所有的氨基酸［17］； （ 4） 理解两菌 生理关系： 如保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌是发酵 乳生产中常用菌种，保 加 利 亚 乳 杆 菌 几 乎 不 具 备 氨 基酸的合成能力，而 嗜 热 链 球 菌 基 因 组 中 具 有 除 组 氨酸以外所有与氨 基 酸 合 成 相 关 的 酶，保 加 利 亚 乳 杆菌利用较强的蛋白水解能力为嗜热链球菌提供生 长所需的氨基酸和短肽［10］； （ 5） 细菌素合成基因： 研 究人员在乳酸乳球菌 6F3 中，发现了编码 nisin 合成 酶的具 有 11 个 基 因，大 小 为 15 kb 的 完 整 基 因 簇； （ 6） 细胞表面多糖合成基因： 乳酸菌基因组分析发 现与胞外多糖产生相关的一个 EPS 基因簇，包括 14 个基 因，编 码 高 度 保 守 的 蛋 白 EpsA、EpsF、EpsJ、 EpsI 和 5 种糖基转移酶、多糖合成酶［9］。 1. 2 转录组及蛋白质组解析乳酸菌生理功能