《食品科学》：噬菌体裂解酶结构特征、重组策略及其在控制食源性致病菌中的应用

持续的全球食源性疾病和耐药细菌的广泛流行，对食品安全和人类健康造成了极大的威胁，迫切需要研发新型杀菌、控菌技术。噬菌体裂解酶是大部分裂性噬菌体在裂解期释放一种活性蛋白，能够有效裂解宿主细胞壁，已被证明可应用于食品供应链的各个环节中控制食源性致病菌风险。天然噬菌体裂解酶具有高度的宿主特异性和强烈的裂解活性，能破坏细菌生物被膜，而且具备绿色安全、不易产生耐药等优势。同时，噬菌体裂解酶具有模块化结构特点，运用蛋白质工程技术将其重组，可增强其裂解活性、提高稳定性以及靶向性。

上海海洋大学食品学院的黄振华、张昭寰*、赵 勇*等人系统地描述了噬菌体裂解酶的模块化结构特征及作用位点，讨论了噬菌体裂解酶的重组策略和方法，总结了天然噬菌体裂解酶在控制食源性致病菌方面的应用进展，并对噬菌体裂解酶在食品工业中的应用进行了展望，以期为食源性致病菌及其耐药性的有效控制提供一种行之有效的新策略。

1、噬菌体裂解酶的结构特征与作用位点

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结构特征

在自然界中，革兰氏阳性菌的噬菌体裂解酶呈现模块化结构，大小约为25～40 kDa。如图1A所示，革兰氏阳性菌噬菌体裂解酶包含两个结构域：N端催化结构域（CD）和C端细胞壁结合结构域（CBD），N端与C端通过一段小肽连接。CD能够作用于细菌细胞壁肽聚糖网络中大部分化学键，CBD则负责将噬菌体裂解酶靶向于底物并赋予其识别宿主细胞的特异性。

革兰氏阴性菌的外膜结构可有效阻止外源酶进入细胞内部，为菌体提供一个天然的屏障。研究发现，大部分革兰氏阴性菌的噬菌体裂解酶是单域结构，大小约为15～20 kDa，如图1B所示，此类裂解酶中存在两亲性螺旋结构，或携带正电荷基团，赋予其渗透或破坏细菌外膜的能力，从而接触和降解肽聚糖层，最终导致菌体破裂而死亡。

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作用位点

噬菌体裂解酶能够破坏细菌细胞壁肽聚糖层的主要化学键（图1C），按作用位点不同，可将其分为4 类：1）MurNAc酶和溶菌糖基转移酶，可作用于肽聚糖链中的GlcNAc或与其相邻的MurNAc，溶菌糖基转移酶虽与MurNAc酶的作用位点相同，但作用方式不同，不会裂解糖苷键而形成胞壁酸残基，只能够使糖苷键脱水。溶菌糖基转移酶在自然界中比较罕见，只有极少数相关报道，如噬菌体phiKZ的裂解酶gp144；2）内β-N-乙酰氨基葡糖苷酶，可作用于肽聚糖链中MurNAc和GlcNAc之间的糖苷键；3）酰胺酶，可作用于肽聚糖链中MurNAc和L-Ala之间的关键酰胺键；4）肽内肽酶，可作用于肽聚糖链中茎肽和肽间桥氨基酸之间的化学键。

2、噬菌体裂解酶的重组策略

噬菌体裂解酶模块化结构和独立活性为酶的重组进化提供了可能，可以此为基础对天然裂解酶的功能域进行删除衍变和重新组合，并为其与其他抑菌分子的融合重建提供机会，从而设计出具有特殊功能的生物工程裂解酶。噬菌体裂解酶的重组策略能使其具有裂解谱更广、环境适应性更强等新特性，还能实时地应对细菌耐药性突变问题。因此，为满足裂解活性及谱系的需要，可通过多种噬菌体裂解酶功能域的重组，以设计活性更高和杀伤范围更广或具备靶向性的重组噬菌体裂解酶。为满足其在不同食品基质、不同加工工艺中广泛的应用范围，可将其与特殊功能片段重组，以设计稳定性强、溶解性好的重组噬菌体裂解酶。本文进一步系统地阐述了嵌合重组、衍生突变、异源融合这3 种噬菌体裂解酶的重组策略（图2）。

3、噬菌体裂解酶的应用研究

01

控制革兰氏阳性菌

食源性革兰氏阳性致病菌包括金黄色葡萄菌、单增李斯特菌、蜡样芽孢杆菌、肉毒杆菌、产气荚膜梭菌等，对食品工业和公共健康造成了极大的安全隐患。噬菌体裂解酶可靶向作用于革兰氏阳性菌暴露的肽聚糖层，直接从外识别并裂解菌体，从而有效控制食源性革兰氏阳性菌的污染，表1总结了近年来革兰氏阳性菌噬菌体裂解酶的相关研究进展。

02

控制革兰氏阴性菌

如表2所示，尽管关于噬菌体裂解酶的研究大多集中于革兰氏阳性细菌的控制，但近年来也有研究将噬菌体裂解酶单独使用或与膜渗透剂（如多黏菌素B、乙二胺四乙酸（EDTA）等）联用，以克服革兰氏阴性菌的外膜屏障。

结 语

在细菌耐药性大流行的背景下，噬菌体裂解酶是一种天然来源的功能蛋白，具有相对安全、高效、特异、可清除生物被膜、低耐药风险等诸多优点，有助于控制食品中的致病菌与腐败菌，可作为一种具有极大应用前景的食品杀菌保鲜技术。同时，噬菌体裂解酶不会改变食品质地和口感，也不会影响食品中的有益菌群，合理的开发及应用将有益于食品工业的发展。但是，天然噬菌体裂解酶的理化性质、裂解效果、安全性等均存在一些不确定性，大大限制了其在食品工业中的应用。人工重组的噬菌体裂解酶能够克服以上缺陷，根据噬菌体裂解酶的模块化结构，基于现代酶工程技术通过嵌合重组、衍生突变、异源融合等工程方法，对噬菌体裂解酶进行定向改造，优化其理化性质、裂解效果、安全性等特性，以适应复杂多变的实际食品加工环境。

本文《噬菌体裂解酶结构特征、重组策略及其在控制食源性致病菌中的应用》来源于《食品科学》2021年42卷23期315-324页，作者：黄振华，张昭寰，童金蓉，吴倩，刘静，刘海泉，潘迎捷，赵勇。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200803-038。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

图片来源于文章原文及摄图网

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