背景^[1][2]

靈菌紅素( Prodigiosin，PG) 是一種重要的天然紅色素，在醫(yī)藥、化工、染料等行業(yè)具有較大的應(yīng)用前景。1977 年首次驗證了PG 的體內(nèi)抗腫瘤作用，發(fā)現(xiàn)粘質(zhì)沙雷氏菌( Serratia marcecens) PG 提取物能誘導血癌細胞的凋亡。目前較受關(guān)注的PG 衍生物GX15-070，作為多種癌癥的備選治療藥物，已進入臨床II 期研究階段。作為靈菌紅素家族中的一員，PG 主要是一些沙雷氏菌屬、放線菌屬、假單胞菌屬、海洋類細菌等的次生代謝產(chǎn)物。

粘質(zhì)沙雷氏菌是PG 的主要生產(chǎn)菌株，它屬于腸桿菌科、沙雷氏屬的一個種，為革蘭氏陰性短桿菌，形態(tài)上一般比其它腸道菌小，無莢膜。該菌屬中能產(chǎn)靈菌紅素的菌株屬于溫度敏感型表型： 在溫度低于30℃ 時產(chǎn)紅色素，高于37℃時不產(chǎn)紅色素，但是其受溫度調(diào)控的具體原因尚不明確。

早期研究發(fā)現(xiàn)，粘質(zhì)沙雷氏菌合成PG 的前體物質(zhì)主要有脯氨酸、甲硫氨酸、丙氨酸、絲氨酸、組氨酸、二辛烯醛、丙二酰-CoA 和乙酰-CoA 等；PG 合成基因簇包括16 個基因，其中pigA-pigN(共14 個基因) 是靈菌紅素合成的編碼基因；cueR和copA 是其調(diào)控基因，PG 是通過雙歧途徑合成的，它由兩個單體2-甲基-3-n-戊基( MAP) 和4-甲氧基-2，2’-雙吡咯-5-甲醛( MBC) 經(jīng)縮合酶( PigC) 縮合而成，其中MAP 的合成由PigB /PigD /PigE 參與，而MBC 的合成由PigA /PigF /PigG /PigH /PigI /PigJ /PigK /PigL /PigM/PigN 參與。

應(yīng)用^[1][2][3]

粘質(zhì)沙雷氏菌主要用于生產(chǎn)靈菌紅素。靈菌紅素是具有三個吡咯環(huán)骨架結(jié)構(gòu)的天然紅色素，具有抗細菌、真菌、瘧疾和霉菌、抗病毒、免疫抑制和抗腫瘤等作用。作為一種新的天然抗癌待藥物，靈菌紅素已逐漸成為國內(nèi)外癌研究的熱點之；而微生物發(fā)酵生產(chǎn)的靈菌紅素更是比較理想的天然色素，因此該色素具有很好的應(yīng)用前景。

在自然界，溫度對粘質(zhì)沙雷氏菌很重要，但是目前很難給出細菌學和生態(tài)學的解釋；粘質(zhì)沙雷氏菌的生存溫度范圍比較寬泛( 20-40℃) ，但PG 的合成卻需要相對嚴格的溫度( 24-28℃) ，其中28℃是PG 合成的最適溫度，同樣的，粘質(zhì)沙雷氏菌合成PG受溫度調(diào)節(jié)機制目前仍不清楚。有實驗研究了粘質(zhì)沙雷氏菌( Serratia marcecens JNB5-1) 在不同發(fā)酵溫度( 28℃和37℃) 條件下蛋白質(zhì)組的差異表達，探究粘質(zhì)沙雷氏菌合成靈菌紅素受溫度調(diào)控的原因。

方法利用二維凝膠電泳( 2-DE) 和基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜技分離和鑒定粘質(zhì)沙雷氏菌在不同發(fā)酵溫度( 28℃和37℃) 條件下的差異蛋白； 再利用實時熒光定量PCＲ( ＲT-qPCＲ) 進一步分析挑選出的七個差異蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄水平。

結(jié)果顯示，靈菌紅素合成途徑中的氧甲基轉(zhuǎn)移酶( PigF) 、氧化還原酶( PigN) 和參與靈菌紅素前體物質(zhì)( 脯氨酸、甲硫氨酸、絲氨酸、二辛烯醛和丙二酰-CoA 等) 代謝的相關(guān)蛋白( 酶) 的表達量在37℃ 條件下都出現(xiàn)極顯著的下降； 熱休克蛋白( Hsp60) 、超氧化物歧化酶( Superoxide dismutase) 等應(yīng)急性蛋白在37℃條件下表達上調(diào)。

通過ＲT-qPCＲ 證實，氧甲基轉(zhuǎn)移酶、氧化還原酶和轉(zhuǎn)酮醇酶基因( transketolase) 在37℃條件下的轉(zhuǎn)錄水平均低于28℃條件下。粘質(zhì)沙雷氏菌在相對低溫( 28℃) 條件下產(chǎn)靈菌紅素，相對高溫( 37℃) 件下不產(chǎn)靈菌紅素?？赡苁歉邷? 37℃) 顯著抑制了靈菌紅素合成相關(guān)酶的表達。

此外，還有研究表明粘質(zhì)沙雷氏菌菌株P(guān)S−1對甜菜夜蛾種群增長的具有抑制作用。甜菜夜蛾Spodoptera exigua Hübner 是一種多食性、間歇性大發(fā)生的害蟲，近年來尤以蔬菜和棉花受害最重。使用化學農(nóng)藥是防治甜菜夜蛾的主要方法，結(jié)果導致甜菜夜蛾的抗藥性不斷提高，用藥量不斷增加，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)受到嚴重影響。

為了提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)、保護人民健康，研究和開發(fā)甜菜夜蛾生防菌資源具有重要意義。粘質(zhì)沙雷氏菌Serratia marcescens 由于其對多種農(nóng)業(yè)害蟲的高致病性和對害蟲的巨大潛力而受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。有研究測定了粘質(zhì)沙雷氏菌菌株P(guān)S-1 對甜菜夜蛾的致病力及其試驗種群增長的抑制作用。用菌株P(guān)S-1 菌懸液與人工飼料混配飼喂甜菜夜蛾2 齡幼蟲48 h，對其幼蟲的存活有明顯的抑制作用，對其蛹和成蟲有明顯的后致死作用。

在2×101～2×108 cfu/g 的濃度范圍內(nèi)，有明顯的濃度效應(yīng)。隨著處理濃度的升高，甜菜夜蛾幼蟲的死亡率明顯提高，蛹的存活率明顯降低，成蟲產(chǎn)卵量明顯減少，其試驗種群的增長分別比對照降低了74.4%～100%。用濃度為1×103、1×105 和1×107 cfu/mL的PS-1菌懸液分別配制成10%蜂蜜水飼喂甜菜夜蛾成蟲2 d，各濃度處理組成蟲的壽命分別比對照縮短了5.70、5.91 和7.16 d，產(chǎn)卵量也明顯減少。

用濃度為1×109 cfu/mL 的PS-1 菌懸液離心后，取上清液加入到人工飼料中飼喂甜菜夜蛾2 齡幼蟲48 h，幼蟲8 d 累積死亡率達70.0%，顯著高于對照。用組建生命表的方法評價了菌株P(guān)S-1 對甜菜夜蛾的全面作用，該菌株對甜菜夜蛾試驗種群增長的抑制作用，主要是其抑制了甜菜夜蛾幼蟲和成蟲的存活率以及成蟲的生殖力。這些結(jié)果為甜菜夜蛾的生物防治和粘質(zhì)沙雷氏菌PS-1的進一步開發(fā)利用提供了依據(jù)。

粘質(zhì)沙雷氏菌還可生產(chǎn)D-乳酸。有研究以粘質(zhì)沙雷氏菌G1(Serratia marcescens G1)為出發(fā)菌種，搖瓶試驗確定了發(fā)酵培養(yǎng)方式：前12 h為菌體生長階段，有氧培養(yǎng)，溫度28℃，pH值7.0；后36 h為D-乳酸合成積累階段，無氧培養(yǎng)，溫度44℃，pH值6.0。且發(fā)現(xiàn)使用葡萄糖為碳源時更有利于D-乳酸的合成積累。

采用缺失2，3-丁二醇合成能力的基因工程菌株R1為出發(fā)株，經(jīng)篩選后得到耐受較高濃度乳酸鹽的菌株R150，以R150為發(fā)酵菌種，在3.7 L發(fā)酵罐上采用兩階段發(fā)酵法，并通過增加起始菌體濃度的方法，發(fā)酵生成的D-乳酸濃度達到83.5 g/L，光學純度達到98.9%。本研究成果為使用粘質(zhì)沙雷氏菌發(fā)酵生產(chǎn)D-乳酸的深入研究打下了基礎(chǔ)。

主要參考資料

[1] 徐虹, 徐美娟, 楊套偉, 等. 溫度對粘質(zhì)沙雷氏菌合成靈菌紅素的影響[J]. 微生物學報, 2014, 54(5): 517-524.

[2] 季秀玲, 林連兵, 張琦, 等. 粘質(zhì)沙雷氏菌的分離鑒定及產(chǎn)紅色素培養(yǎng)基的優(yōu)化[D]. , 2014.

[3] 楊建云, 曹溪, 紀春艷, 等. 粘質(zhì)沙雷氏菌菌株 PS-1 對甜菜夜蛾種群增長的抑制作用[J]. 中國生物防治學報, 2015, 31(4): 501-507.