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）生產多種細菌素，包括新型細菌素氣體絲膠蛋白

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

 

1. 論文摘要核心內容

 

研究從人乳中分離出Lactobacillus gasseri LM19菌株，發現其能產生多種細菌素，包括一種新型細菌素gassericin M。通過基因組分析、肽純化與合成、體外結腸模型實驗，證實LM19在模擬腸道環境中能存活、表達所有細菌素基因，并產生短鏈脂肪酸（SCFA）。與病原體Clostridium perfringens共培養時，LM19可維持腸道微生物群穩態，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，具體目標包括：

 

鑒定其產生的細菌素類型（含新型gassericin M）；

 

驗證細菌素的協同抗菌活性；

 

評估其在模擬結腸環境中的存活能力、基因表達及代謝功能；

 

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、濾片擴散等實驗測試對病原體（如Salmonella、E. coli、C. perfringens）的抑制效果（表2）。

 

3.細菌素基因簇鑒定：

 

使用BAGEL4和antiSMASH分析基因組，發現3個細菌素基因簇（圖1a），包括新型gassericin M（GamM/GamY）。

 

 

4.肽純化與合成：

 

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

 

 

 

 

5.活性與協同作用驗證：

 

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

 

 

6.體外結腸模型實驗：

 

在模擬結腸環境中接種LM19，監測其存活、細菌素基因表達（RT-qPCR，圖6b）、SCFA產生（NMR，圖6d）及微生物群變化（16S rRNA測序，圖6c）。

 

 

7.丹麥Unisense電極應用：

 

使用Unisense pH電極（型號pH-000-85282）實時監測發酵液pH，確保環境穩定性（方法部分）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) 抗菌活性數據（表2）

 

 

數據：LM19對L. bulgaricus抑制最強（+++），對C. perfringens和L. innocua有中度抑制（++）。

 

意義：證實LM19廣譜抗菌能力，為益生菌應用提供基礎。

 

(2) 細菌素基因簇鑒定（圖1）

 

 

數據：發現3個基因簇，包括新型雙肽細菌素gassericin M（GamM/GamY）。

 

意義：揭示LM19產生多種細菌素的遺傳基礎，新型gassericin M擴展了抗菌肽資源庫。

 

(3) 肽純化與質譜分析（圖2, 3）

 

 

數據：MALDI-TOF-MS確認GamM（4126 Da）、GamY（4107 Da）等肽的質量（圖2b, 3c）。

 

意義：直接證明新型細菌素存在，為后續活性研究提供純化物。

 

(4) 合成肽活性與協同性（圖4）

 

 

數據：合成GamA和Bact_2抑菌活性最強；Bact_1與Bact_2顯著協同（圖4b-c）。

 

意義：闡明多肽協同增強抗菌效果的機制，為設計復合抗菌劑提供思路。

 

(5) 結腸模型中的基因表達（圖6b）

 

 

數據：RT-qPCR顯示所有細菌素基因在24小時均表達（如helveticin-J-like、gamM）。

 

意義：證明LM19在復雜腸道環境中仍能發揮抗菌功能。

 

(6) 微生物群與SCFA分析（圖6c-d）

 

 

數據：

 

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

 

NMR檢測：LM19顯著提升乙酸、丙酸等SCFA產量（圖6d）。

 

意義：SCFA增強腸道屏障功能，LM19通過調節菌群和代謝物發揮益生作用。

 

5. 丹麥Unisense電極數據的深層意義

(1) 技術應用背景

 

 

電極型號：Unisense pH-000-85282（方法部分）。

 

功能：實時監測發酵液pH值，確保模擬結腸環境（pH 6.8）的穩定性。

 

(2) 研究意義

 

 

環境穩定性保障：pH是影響細菌素活性及微生物代謝的關鍵因素。Unisense電極提供高精度實時數據，確保實驗條件接近人體結腸生理狀態（中性微酸）。

 

代謝活性關聯：pH穩定與SCFA產生直接相關（圖6d）。電極數據證實LM19在維持適宜pH環境下高效產生SCFA，強化其益生功能的可靠性。

 

技術優勢：相較于傳統pH試紙或間歇采樣，Unisense電極的連續監測能力避免了環境波動對實驗結果的影響，為腸道模型研究提供方法論范本。

 

6. 研究結論

 

1.新型細菌素發現：LM19產生包括gassericin M在內的多種細菌素，其中GamM/GamY為新型雙肽細菌素。

2.益生潛力：

 

在模擬結腸環境中存活并表達所有細菌素基因；

 

提升SCFA產量，增強腸道健康；

 

與C. perfringens共培養時維持微生物群穩態，抑制病原體過度增殖。

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

 

7. 核心圖示

 

LM19的益生作用機制：

 

[腸道環境] → [LM19存活] → [表達細菌素基因] → [分泌抗菌肽] → [抑制病原體]

↑

[Unisense電極監測pH] → [穩定環境] → [促進SCFA產生] → [增強腸道屏障]

 

研究啟示：

 

丹麥Unisense電極通過高精度實時pH監測，為模擬腸道實驗提供了關鍵的環境穩定性數據，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?）的實時檢測，深化對益生菌代謝機制的理解。