芽孢桿菌（Bacillus）細胞膜剛性的相關研究概述

摘 要：本文綜述了芽孢桿菌細胞膜剛性的相關研究成果，包括芽孢桿菌特征及分類進化史、細胞膜及芽孢的特征、芽孢桿菌細胞膜剛性的研究的趨勢與進展。

關鍵詞：芽孢桿菌；細胞膜剛性

1.芽孢桿菌（Genus Bacillus）的特征及分類進化史

1872年，Ferdinand 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、產芽孢的需氧桿菌。早在1884年，芽孢桿菌產生芽孢的特性便成為其重要的分類特征。

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

2.細胞膜及芽孢的特征

細胞膜作為細胞結構的基礎組成部分，具有隔離外界環境、信息交流、能量產生、維持離子濃度梯度及固定膜蛋白等重要功能。目前對于細胞膜結構的認識基于Singer and Nicholson的流動鑲嵌模型[3]：細胞膜是由脂類雙分子層中鑲嵌可以移動的球形蛋白質組成。

細胞膜剛性（Rigidity）是描述細胞膜狀態的重要參數之一。研究表明，細胞膜會通過修飾自身結構以維持一個流動的狀態。細胞膜剛性的改變取決于膜上脂肪與外界環境因素發生的物理化學反應。

由于熒光探針自身穩定、可被重復激活與探測、不破壞細胞膜結構及操作便捷等優勢，現已成為研究細胞膜常用的工具。目前，1，6-二苯基-1，3，5-己三烯（DPH）探針被廣泛使用[4]。作為一個極度疏水親脂對稱的探針，DPH能夠滲透進膜的疏水區并于脂肪酸鏈平行附著，隨著DPH的不斷插入細胞膜將會引發熒光強度增強[5]。

芽孢在惡劣環境下由營養細胞形成。在環境適宜時，芽孢被重新激活、萌發后發芽，再次變為營養細胞[6]。

芽孢代謝上處于休眠狀態，與營養細胞完全不同的結構。其結構由外到內分為：外壁、芽孢殼、外膜、皮層、芽孢壁、內膜與 核芯。其中芽孢內膜上脂肪分子的狀態使其具有極低的滲透性，保護芽孢內DNA免受侵害[7]。研究表明，芽孢內膜會在之后芽孢發芽時變為營養細胞的細胞膜。

3.芽孢桿菌細胞膜剛性的研究意義及進展

隨著當代人們對食物帶來的健康作用的重視，人們要求食物質量好、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、降低食物營養價值），而新興的加熱技術（例如高溫短時消毒（HTST）與超高溫殺菌（UHT））由于無法保持食物的新鮮口味與質地，仍不能滿足生產上的需求。目前，一種被稱為非熱處理技術在食品行業發展迅速，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，人們對于營養細胞膜的脂質穩態對于外界環境變化的反應機理已充分研究。而關于休眠芽孢細胞膜剛性以及芽孢與營養細胞之間細胞膜剛性聯系的相關研究并未廣泛展開。已有研究數據表明應用于熒光偏振分析法的DPH探針可以準確定位到特定芽孢桿菌菌種的芽孢內膜，進而說明DPH探針以其不破壞細胞膜結構的優點可被廣泛應用于芽孢細胞膜剛性研究[9]。

相信在不久的將來，通過對于芽孢桿菌細胞膜剛性的相關基礎研究，能讓我們更好地理解芽孢的抗性機理，從而指導相關行業更新相應消毒殺菌技術（例如通過特定成分的加入來改變細胞膜的相關特性與功能），進一步提升食品行業安全生產的管理水平。

參考文獻：

[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 ，畢業于美國羅格斯新澤西州立大學.