基本介紹
- 中文名：乳酸菌噬菌體
- 外文名：Lactic acid bacteria phage
- 影響：導致發酵失敗
- 類型：A型、B型、C型
- 組成：蛋白質和DNA
- 控制手段：過濾空氣、使用直投式發酵劑等
定義,種類,形態及基因組成,生命周期,分類,形態學分類,宿主範圍分類,血清學分類,侵染原理,
定義
乳酸菌噬菌體是專門寄生於乳酸菌細胞內的細菌病毒。噬菌體是專門寄生在細胞內的細菌“寄生蟲”，它在自然界中無處不在。噬菌體感染乳酸菌具有很重要的經濟學意義，因為它是導致發酵失敗的主要原因之一。在乳品生產中已經採用了大量的技術手段來減少噬菌體感染，包括過濾空氣、將發酵劑製備區同生產區分開、採用直投式發酵劑、套用密閉的發酵罐、輪換髮酵劑菌株以及利用噬菌體抗性培養基。但是，採用這些措施並不能完全消滅在工業生產中導致嚴重問題的噬菌體。因此，人們對噬菌體一宿主之間的相互作用和噬菌體生物學進行了大量的研究，希望對乳酸菌噬菌體的基本了解有助於找到一個能夠長期有效解決噬菌體感染的方法。
種類
1915年，Twort首次鑑定了噬菌體，兩年以後H6relle將其命名為細菌噬菌體。1935年，Whiteheat和Cox第一次報導了噬菌體對乳酸乳球菌發酵劑的感染，他們發現噬菌體是乳品正常發酵的主要威脅。噬菌體同其他類型病毒一樣，對宿主細胞有著很強的依賴性和專一性。乳酸菌類型的紛繁複雜，必然導致其噬菌體種類複雜。早期的分類是根據它們的宿主範圍及形態，最近則更側重它們的基因相關性，同源性。1967年，Bradley基於噬菌體的形態將它們分成了三類，即①A型，收縮性尾；②B型，非收縮性長尾；③C型，非收縮性短尾。此外，形態型1～3分別代表不同的頭部形態，即①型，正多面體形小頭；②2型，橢圓體形頭；③3型，橢圓體形大頭(正多面體形、橢圓體形和大的橢圓體形頭部的噬菌體相應的分別代表形態型1、2和3)。後來，Aekerman和DuBow將噬菌體區分為不同的家族，並將Bradley命名的形態型A～C相應的重新分類並命名為Myoviridae、Siphoviridae和Podovirdae，乳品工業生產中存在的噬菌體多數屬於Siphoviridae。
形態及基因組成
到目前為止，所有的研究都表明乳酸菌噬菌體都有一個蛋白質的頭和尾，並在頭部內含有一個與宿主(G+C)mol%相近的dsDNA分子，有無黏性末端視種類而定。一般來說，(G+C)mol%在乳球菌噬菌體中的範圍是從乳球菌噬菌體的37%至乳桿菌噬菌體的48%，基因組的大小通常是18～55kb，但也有研究者檢測到過更長的基因組(134kb)。乳酸菌噬菌體的基因組結構非常緊湊，較小的基因組通常有基因重疊現象，幾乎不含非編碼的DNA區域。
生命周期
噬菌體根據其生命周期的不同，它被分為兩種類型。“烈性”或“裂解性”噬菌體只能用一種方式繁殖。簡言之，在感染的初期，裂解性噬菌體用它們的尾部末梢吸附到乳酸菌細胞表面的特異受體位點。在電子顯微鏡下可看到，乳球菌噬菌體或者是均一地結合到細胞上或者是在細胞表面均勻分布的受體位點結合一小群(5～30個噬菌體)。隨後，噬菌體的線性基因組DNA被注入細胞質中。隨著噬菌體DNA的注入，噬菌體開始複製，隨後進行成熟噬菌體後代的包裝，此過程還包括DNA的包裹。裂解性生命周期的最後一個階段是通過兩個不同類型的噬菌體編碼的蛋白質的作用，將噬菌體後代從被感染的細胞中釋放出來。第一個蛋白質具有裂解活性，能夠降解宿主的細胞壁，而第二個蛋白質是促進蛋白，它將細胞膜瓦解，從而使得裂解酶能夠接觸到細胞壁而發揮作用。隨後，噬菌體後代被釋放到可以進行裂解循環的環境。
“溶源性”或“溫和”噬菌體具有更多用途，因為它們並不進入裂解途徑，相反進入一個不會導致宿主細胞死亡的生命周期。此過程就是溶源性循環，在此過程中噬菌體DNA整合到宿主的染色體上形成前噬菌體。整合涉及宿主細胞上的較短的同源DNA序列或者連線位點(attB位點)與噬菌體基因組(attP位點)之間的位點特異性重組。噬菌體一旦整合到細菌的染色體上，噬菌體就能夠保持這種由噬菌體編碼的抑制蛋白介導的不確定的原噬菌體狀態。可能會選擇性地發生前噬菌體的誘導(也就是解除抑制)，導致前噬菌體被切除，裂解性循環開始。後面將會詳細介紹溶源性循環的相關知識．
分類
關於乳酸菌噬菌體的研究，很多都集中在建立一個一致的分類方案上。理想的分類方法，應該能夠以噬菌體進化起源的形式反映它們之間的關係。早期的分類方法是基於噬菌體的形態學和血清學特徵以及噬菌體和宿主之間的相互作用和它們含有的蛋白質的特徵。近些年來，分類方案也採用了其他一些參數，包括通過DNA同源性研究和序列分析對噬菌體基因進行比較。這些分類方法都將在下面進行敘述。
形態學分類
由於噬菌體的形態型特徵相對比較容易檢測，因此對噬菌體進行分類時的最初步驟，通常包括測定噬菌體的形態型特徵。迄今為止，所有鑑定的嗜熱鏈球菌噬菌體，都屬於Siphoviridae家族，即屬於Bradley定義的B1家族。這些噬菌體的主要特徵是具有正多面體形的小頭(直徑為50～90nm)和一個相對較長的條紋狀的非收縮性尾(100～360nm)。
儘管有人報導了一些屬於Podoviridae家族的乳球菌噬菌體，但是大多數感染乳球菌的噬菌體屬於Siphoviridae家族，它們或者具有正多面體形的小頭(也就是形態型B1)，或者具有橢圓體形的頭(形態型B2)，其中形態型B1更常見一些。
雖然通常感染乳酸桿菌的噬菌體是屬於Siphoviridae家族的具有正多面體形小頭的噬菌體，但是也有人發現了一些具有橢圓體形頭的乳酸桿菌噬菌體。還有人發現感染瑞士乳桿菌(Lactobacillus helveticus)的噬菌體具有正多面體形的頭部和長度可變化的收縮性尾部，這也是對噬菌體進行分類的一個基本特徵。
屬於明串珠菌屬(Leuconostoc)的細菌是異型乳酸發酵的乳酸球菌，它們在食品工業中通常作為混合菌株發酵劑中的次要成分來使用。酒明串珠菌(Leuconostoc oenus)被重新分類為酒酒球菌(Oenococcus oeni)，它被套用於葡萄酒的生產中，進行蘋果乳酸發酵。很少有明串珠菌噬菌體的報導，這是由於它們生長得很緩慢，因而很難檢測到噬菌體。明串珠菌噬菌體是由非收縮性的長尾和正多面體形的頭部構成的，因此它們屬於Siphoviridae家族，B1家族。
宿主範圍分類
在很多研究中都提及以宿主範圍為基礎對乳酸菌噬菌體進行的分類，特別是相關食品(尤其是乳製品)在發酵生產過程中使用的乳酸菌。然而，以宿主範圍為基礎的分類方法不能夠同以其他分類標準為基礎的分類方法相聚合。例如，嗜熱鏈球菌(S．ther—mophilus)的一些噬菌體具有非常相似的宿主範圍，儘管它們的DNA同源性有限。與此相反的是，其他一些具有相似的限制性特徵的噬菌體表現出完全不同的裂解譜。
血清學分類
還有的研究者試圖以噬菌體的血清學特徵為依據來對嗜熱鏈球菌和乳球菌噬菌體進行分類。但是這種分類方法有個嚴重的缺陷，那就是它是以病毒體外部結構上的抗原的特性為基礎，因此，這種分類方法僅僅表明了基因組一小部分基因的表達。
侵染原理
隨著現代分子生物學和大規模測序技術的發展，人們在深入了解乳酸菌噬菌體基因組的結構和功能組織上獲得了非常大的進展。目前，根據人們已經研究的很透徹的噬菌體基因組是以下這種方式組織的：功能相關基因排列成串，這些功能串進一步形成模組。乳酸菌噬菌體的基因組也是以同樣方式排列的。一個模組就是指一組鄰近的編碼蛋白質的基因，它們所編碼的蛋白質能夠執行一個特異的生物學功能，噬菌體通過相互交換可互換的基因模組來進行進化。人們推測，保守基因序列可以將噬菌體之間產生不能繁衍的互相交換作用的數目減到最少，這種相互交換的結果是在含有部分同源染色體的噬菌體之間通過基因重組產生的。這種功能組織在各種噬菌體的基因組中都是保守的。已完全被測序的嗜熱鏈球菌噬菌體001205、07201、DTl、Sill9、Sfi21和乳桿菌的噬菌體LL_H、oadh、ogle的模組結構同P335乳球菌噬菌體是類似的。
