石慧，李嬋娟，張俊紅

1(武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院 食品與生物科技學(xué)院，湖北 武漢，430205)2(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢，430070)

?

ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌及其應(yīng)用研究概述

石慧1，李嬋娟1，張俊紅2*

1(武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院 食品與生物科技學(xué)院，湖北 武漢，430205)2(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢，430070)

ε-聚賴氨酸是由微生物分泌的、具廣譜抗微生物活性的多肽類物質(zhì)，易被生物降解，對人體無害。主要由白色鏈霉菌屬、北里孢菌屬和麥角真菌分泌，近年來也有報(bào)道灰橙鏈霉菌、 稠李鏈霉菌、芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌等也能分泌ε-聚賴氨酸。篩選方法多在NISHIKAWA和OGAWA方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)。研究者通過誘變育種和分子改良提高菌株的產(chǎn)量。最常用的誘變劑為DES和UV或兩者協(xié)同誘變。分子改良常用技術(shù)為原生質(zhì)體融合，基因組重排及染色體步移。搖瓶發(fā)酵ε-聚賴氨酸產(chǎn)量最高的菌株為日本的S.aureofaciern菌株，達(dá)到了4.5 g/L，我國搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量最高的菌株為Streptomycessp. 達(dá)到了3.11 g/L。ε-聚賴氨酸具有廣闊的應(yīng)用前景，在食品添加劑上已經(jīng)投入使用，特別是食品防腐劑，在醫(yī)藥及生物材料上也具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

ε-聚賴氨酸；篩選；誘變育種；分子育種

ε-聚賴氨酸是一種非核糖體合成的L-賴氨酸均聚物，是由ε-氨基和α-羧基依次連接而成的，具獨(dú)特功能的多肽結(jié)構(gòu)[1]，也是一種生物堿，具有廣譜抗菌活性[2]和抗噬菌體的活性[3]。ε-聚賴氨酸的殘基數(shù)量10～40個(gè)不等，容易被生物降解，對人體無毒害[4]。25～35個(gè)氨基酸殘基的ε-聚賴氨酸具有較強(qiáng)的抗微生物活性，通常用作食品防腐劑，本世紀(jì)初由日本率先進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)，并在日本、韓國和美國的食品防腐中廣泛應(yīng)用[1,4]。在NISHIKAWA和OGAWA[5]發(fā)明新的菌種篩選方法前，研究者篩選到分泌ε-聚賴氨酸的菌種均為白色鏈霉菌，很少有其他新的菌種。主要研究單位有日本的チッン株式會(huì)社，滋賀縣立大學(xué)和岡山生物科學(xué)研究所[6]。21世紀(jì)初，中國江南大學(xué)、天津科技大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)和南開大學(xué)等單位在ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌株的篩選、誘變、分子改良育種及發(fā)酵生產(chǎn)上做了大量的研究，其中江南大學(xué)的研究取得了巨大進(jìn)展，該課題組采用Streptomycessp. M-Z18菌株補(bǔ)料發(fā)酵，ε-聚賴氨酸的批生產(chǎn)量為54.70 g/L[7]，達(dá)到了商業(yè)生產(chǎn)的要求，甚至高于日本商業(yè)生產(chǎn)用菌Streptomycesalbulusno.410的生產(chǎn)能力(48.3 g/L)[6]。

1　ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的篩選

1.1篩選方法

ε-聚賴氨酸研究者篩選到的菌株主要為放線菌中的白色鏈霉菌屬、北里孢菌屬和麥角真菌[10]。近年來也有報(bào)道篩選到灰橙鏈霉菌[11]，稠李鏈霉菌[12]，芽孢桿菌[8]和蠟樣芽孢桿菌[9]可以分泌ε-聚賴氨酸。傳統(tǒng)的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的篩選方法十分復(fù)雜，基本程序是篩選出白色鏈霉菌，然后搖瓶發(fā)酵，利用德拉根道夫法篩選出發(fā)酵液陽性菌株，最后再通過液相色譜法對發(fā)酵液進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，以確定ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的ε-聚賴氨酸產(chǎn)量，該方法工作量大、周期長、效果不好。2002年，NISHIKAWA和OGAWA[5]采用了一種簡便的方法開展ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的篩選，具體做法是在篩選培養(yǎng)基中加入酸性染料PolyR-478或者堿性染料亞甲基藍(lán)，ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌分泌的ε-聚賴氨酸會(huì)通過靜電作用與染料聚合，在篩選平板上產(chǎn)生肉眼可見的特殊菌落形態(tài)，根據(jù)這一特性先篩選出ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌，然后再結(jié)合其他的方法進(jìn)行進(jìn)一步的鑒定，從而簡化篩選過程。目前，ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的篩選方法較多，但大多是在NISHIKAWA和OGAWA篩選方法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)獲得的，它們分為3個(gè)主要步驟：(1)放線菌的篩選；(2)產(chǎn)ε-聚賴氨酸放線菌的初篩；(3)產(chǎn)ε-聚賴氨酸放線菌的復(fù)篩與產(chǎn)物鑒定。

1.1.1放線菌的篩選

由于ε-聚賴氨酸研究者篩選到的菌株主要是放線菌，所以ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的篩選主要針對放線菌開展，篩選的第一步就是篩選獲得放線菌。目前主要采用的策略是在篩選培養(yǎng)基中添加抑菌劑來抑制細(xì)菌和真菌的生長，從而篩選獲得放線菌。大多數(shù)研究者通過在富集培養(yǎng)基或初篩平板中添加50～150 mg/L K2Cr7O7[6,8,13-15]來抑制細(xì)菌及霉菌的生長來獲得放線菌。HIDEO等[1]采用放線菌酮、制霉菌素抑制細(xì)菌和真菌的生長；LI等[16]則以K2Cr7O7和制霉菌素為主，加少量諾氟沙星和青霉素來聯(lián)合抑制細(xì)菌及真菌的生長以篩選放線菌。篩選到非放線菌的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的研究者省略了放線菌的篩選的步驟，直接在亞甲基藍(lán)平板上篩選產(chǎn)堿菌株[9]。

1.1.2產(chǎn)ε-聚賴氨酸的放線菌的初篩

ε-聚賴氨酸是一種生物堿，亞甲基藍(lán)與生物堿可因靜電排斥而形成透明圈[10]。ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的主要研究者在初篩ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌時(shí)均采用2～50 mg/L的亞甲基藍(lán)透明圈法去篩選放線菌中產(chǎn)堿菌株[6,8-9,13-16]，亞甲基藍(lán)既可以添加在初篩平板中，也可以噴灑在初篩平板上[11]。

1.1.3產(chǎn)ε-聚賴氨酸放線菌的 復(fù)篩與產(chǎn)物鑒定

復(fù)篩需要鑒定菌株的發(fā)酵產(chǎn)物是否可以產(chǎn)生ε-聚賴氨酸的特征反應(yīng)并做產(chǎn)量測定。絕大多數(shù)研究者在復(fù)篩時(shí)采用發(fā)酵產(chǎn)物與Drgaendorff試劑反應(yīng)產(chǎn)生磚紅色沉淀對產(chǎn)物做定性鑒定[6,8-9,13-16]，該反應(yīng)為ε-聚賴氨酸的特征反應(yīng)。幾乎所有的研究者均采用Itzhaki法[17]定量測定ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌株搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量。有的研究者輔以ε-聚賴氨酸的水解產(chǎn)物反應(yīng)紙層析[13,15]、薄層層析[6,14-16,18]定性鑒定ε-聚賴氨酸，也有人采用高效液相色譜法[1,8,15]，以確定ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌所產(chǎn)ε-聚賴氨酸的特性和產(chǎn)量。

1.2國內(nèi)外篩選到的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌及生產(chǎn)能力

ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的主要研究者均來自日本和中國。從表1可知，篩選到的產(chǎn)生菌的種類主要有鏈霉菌屬、芽孢桿菌屬和北里孢菌屬，其中鏈霉菌屬包含金霉素鏈霉菌、白色鏈霉菌、草綠色鏈霉菌、淺灰色鏈霉菌等等，芽孢桿菌屬則有枯草芽孢桿菌和蠟樣芽胞桿菌。從菌株的ε-聚賴氨酸的生產(chǎn)能力來看，菌株搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量較高的大多為日本研究者篩選獲得，如StreptomycesalbulusNBRC 14147、StreptomyceslydicusUSE-11、Streptomycessp. USE-12、S.albulussubsp. USE-13、S.aureofaciern、Streptomycesnoursei(FERM P-9797)和Streptomycessp. SP-72(FERM-16820)，僅1個(gè)菌株Streptomycesgriseofuscus為我國研究者篩選。在所篩選到的菌株中，ε-聚賴氨酸的搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量較高的菌株主要集中在放線菌屬的菌株，枯草芽孢桿菌、蠟樣芽胞桿菌和北里孢菌ε-聚賴氨酸的搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量均不高，分別僅為0.7、0.4、0.4 g/L。在不同種類鏈霉菌中，ε-聚賴氨酸的搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量相差比較大，最低的僅為0.4 g/L，而最高的金霉素鏈霉菌的產(chǎn)量可以達(dá)到4.5 g/L；同一種放線菌的不同菌株，其ε-聚賴氨酸的搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量也有較大的差別，如放線菌菌株S.albulusNBRC 14147的搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量為2.8 g/L，而S.albulusno.410的搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量僅為0.5 g/L。因此，合適的菌株是提高ε-聚賴氨酸生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)。

表1　國內(nèi)外主要研究者篩選到的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌株的生產(chǎn)能力

2　ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的誘變選育

2.1誘變方法

自然界篩選到的野生菌種不論是在代謝產(chǎn)物產(chǎn)量上還是質(zhì)量上均難以適合現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的要求，誘變育種仍然是當(dāng)代菌株改造的重要途徑[22]。采用合適的突變菌株篩選方法，應(yīng)用物理誘變、化學(xué)誘變、以及物理誘變和化學(xué)誘變進(jìn)行復(fù)合誘變的策略，研究者獲得了一批ε-聚賴氨酸產(chǎn)量顯著提高的新菌株。

合適的篩選方法是開展高產(chǎn)ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌株誘變育種的基礎(chǔ)，目前通常采用S-2-氨基乙基-L-半胱氨酸(S-AEC)作為篩選標(biāo)記。S-AEC是賴氨酸的結(jié)構(gòu)類似物，通過在培養(yǎng)基中添加S-AEC以選育出帶有S-AECr遺傳標(biāo)記的的菌株，該標(biāo)記可遺傳性地解除賴氨酸對天冬氨酸激酶的反饋抑制，增強(qiáng)賴氨酸代謝流，提高菌株的ε-聚賴氨酸產(chǎn)量。以S-AEC和甘氨酸(Gly)為抗性標(biāo)記，KAHAR等[24]以S.albulus346為出發(fā)菌株，得到S.albulus410菌株，ε-聚賴氨酸產(chǎn)量提高了6倍； HIRAKI等[25]也以S.albulus為出發(fā)菌株，通過S-AEC為篩選標(biāo)記篩選突變體，發(fā)現(xiàn)99%的突變體的 ε-聚賴氨酸的產(chǎn)量提高，其中有1株試管培養(yǎng)產(chǎn)量提高了10倍。

ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的物理誘變方法主要有紫外誘變、等離子體誘變儀誘變和30 keV氮離子處理等，再結(jié)合合適的誘變篩選培養(yǎng)基，能較大幅度的提高ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的-聚賴氨酸產(chǎn)量。如姜俊云[27]通過UV誘變得到產(chǎn)量提高15.2%的誘變菌株；楊玉紅[18]僅通過UV誘變得到產(chǎn)量提高20.97%的誘變菌株；張超等[29]經(jīng)大劑量UV誘變處理，用 S-AEC氨基酸結(jié)構(gòu)類似物平板定向育種方法，獲得1株ε-聚賴氨酸高產(chǎn)菌C-18，其發(fā)酵液中ε-聚賴氨酸產(chǎn)量較出發(fā)菌株提高42.9%，在含有50 g/L葡萄糖的培養(yǎng)基中，ε-聚賴氨酸積累可達(dá)1.23 g/L；譚之磊等[35]用等離子體誘變儀誘變孢子懸液，再用含有磺胺胍+甘氨酸+L-lysine+AHV 的抗性平板輔以美蘭平板篩選，得到1株S.diastatochromogenesL9，產(chǎn)量比出發(fā)菌株提高了13%；叢茂林等[32]以TS02菌株出發(fā)，注入不同劑量的30 keV 氮離子處理，用抗性平板結(jié)合抑菌圈的篩選方法，篩選到1株高產(chǎn)菌株S.albulusGC11，生產(chǎn)能力比出發(fā)菌株提高了1.32倍。

在化學(xué)誘變育種方面，田豐偉等[34]以白色鏈霉菌 UN2-71 為出發(fā)菌株, 對其原生質(zhì)體進(jìn)行DES誘變，得到 1 株穩(wěn)定性好的高產(chǎn)菌株 D3-32，搖瓶產(chǎn)量達(dá)到1.56 g/L，比出發(fā)菌株提高 49.43%；陳旭升[31]利用亞硝基胍對白色鏈霉菌孢子進(jìn)行誘變，用ε-PL+Gly作為抗性平板篩選高產(chǎn)菌株，獲得了一株產(chǎn)量為1.05 g/L，遺傳穩(wěn)定的突變株S.albulusA-l，該突變株較出發(fā)菌株產(chǎn)量提高了54%；陳瑋瑋等[28]以Kitasatosporasp. PL6-3為出發(fā)菌株，經(jīng)DES誘變，獲得遺傳性能穩(wěn)定的突變株MY5-36，搖瓶發(fā)酵ε-聚賴氨酸產(chǎn)量達(dá)1.17 g/L，是出發(fā)株的3倍；平木純[23]等以S.albulus346為出發(fā)菌株，用亞硝基胍(NTG)為誘變劑，以S-2-氨基乙基-L-半胱氨酸(S-AEC)為篩選標(biāo)記，選育到11011A-1菌株，菌株搖瓶發(fā)酵的生產(chǎn)能力提高3.3倍，他還用氯霉素處理S.albulus346菌株，得到生產(chǎn)能力提高9倍的菌株50833。

在復(fù)合誘變方面，張海濤等[30]以白色鏈霉菌S.albulusSF-21為出發(fā)菌株，先后采用微波，DES和UV進(jìn)行復(fù)合誘變，獲得產(chǎn)量為0.848 g/L的菌株，比出發(fā)菌株提高了41.3%。董惠鈞[26]以S.albulusTF-1為出發(fā)菌株，先用紫外線(UV)誘變，再用硫酸二乙酯(DES)誘變得到產(chǎn)量提高113.5%的突變菌株。李雙雙等[33]以廣東省微生物所保藏的S.albulus-8#為出發(fā)菌株，采用UV和DES復(fù)合誘變處理，同樣用ε-PL+Gly作為抗性平板篩選，得到產(chǎn)量提高2.2倍的高產(chǎn)菌株。

2.2誘變后菌株的生產(chǎn)能力

根據(jù)表2可知，合適的篩選方法，可以從出發(fā)菌株中直接篩選出高產(chǎn)的ε-聚賴氨酸高產(chǎn)菌株，產(chǎn)量可提高6～10倍。在ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的誘變育種研究主要以放線菌為誘變的出發(fā)菌株，且以白色鏈霉菌居多。普遍采用UV或DES誘變劑，或兩者相結(jié)合，少數(shù)采用離子束、NTG和AEC結(jié)構(gòu)類似物等其他誘變劑。不同的誘變方法，其誘變效果差異明顯，中的來說，僅采用物理誘變的效果比較差，如用離子體誘變儀進(jìn)行誘變后，篩選獲得的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的ε-聚賴氨酸產(chǎn)量僅提高13%；僅用UV左右誘變劑，誘變后篩選獲得的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的ε-聚賴氨酸產(chǎn)量僅提高15%～21%；只有采用30 keV 氮離子作為誘變劑，誘變后篩選獲得的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的ε-聚賴氨酸產(chǎn)量可提高1.32倍。而采用化學(xué)誘變劑進(jìn)行誘變，多數(shù)情況下獲得的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的ε-聚賴氨酸產(chǎn)量可提高50%左右，效果要明顯好于僅用物理方法進(jìn)行誘變。而通過復(fù)合誘變，獲得的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的ε-聚賴氨酸產(chǎn)量可提高1～2倍。因此，在ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的誘變育種方面，物理與化學(xué)誘變劑相結(jié)合的復(fù)合誘變，更容易獲得突變的、產(chǎn)量顯著提高的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌株。

表2　誘變處理后各菌株的生產(chǎn)能力改良情況

3　ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的分子育種

3.1分子育種方法

為將DNA遞送到Streptomycesalbulus中，YOSHIMITSU等[37]開發(fā)了基于乙二醇介導(dǎo)的原生質(zhì)體融合和與大腸桿菌進(jìn)行屬間接合的DNA傳遞系統(tǒng)，該項(xiàng)研究中采用了新的隱性質(zhì)粒穿梭載體，這項(xiàng)基因操作系統(tǒng)的開發(fā)有助于Streptomycesalbulus分子遺傳改良的開展。

LI等[38]采用基因組重排技術(shù)提高菌株Streptomycesgraminearusstrain LS-B1 對葡萄糖的耐受能力而增加菌株ε-聚賴氨酸的產(chǎn)量。出發(fā)菌株先經(jīng)過UV和NTG復(fù)合誘變，再采用遞歸原生質(zhì)體融合，篩選到的陽性融合子經(jīng)過3輪基因組重排后，用含有不同濃度的葡萄糖營養(yǎng)瓊脂篩選，發(fā)現(xiàn)能耐受葡萄糖濃度較高的重組子產(chǎn)ε-聚賴氨酸均增高，其中重組菌株F3-4的產(chǎn)量比出發(fā)菌株提高了88%，搖瓶發(fā)酵達(dá)到了2.4 g/L。LI等[39]還先通過5種野生菌株的基因組重排提高ε-聚賴氨酸的產(chǎn)量，然后讓所有重排后的菌株通過原生質(zhì)體融合進(jìn)行種間雜交，通過其菌落形態(tài)及孢子的顏色來篩選改變的菌株，發(fā)現(xiàn)重組子FEEL-1 搖瓶產(chǎn)量達(dá)到1.12 g/L，比野生菌株提高了2.75倍。ZHOU等[41]通過基因組重排技術(shù)篩選到1株高耐受ε-聚賴氨酸的高產(chǎn)菌株，該方法采用DES誘變出發(fā)菌株，建立了初始突變體庫，經(jīng)過4輪的原生質(zhì)體融合，基因組重排后篩選出菌株F4-22，搖瓶培養(yǎng)ε-聚賴氨酸的產(chǎn)量為3.11g/L，比出發(fā)菌株提高了1.81倍。

表3　分子改良后菌株的生產(chǎn)能力

3.2分子改良育種的菌株的生產(chǎn)能力

國內(nèi)研究者在分子育種上也取得了巨大的進(jìn)展，江南大學(xué)采用不同的菌株為出發(fā)菌株，主要運(yùn)用誘變育種、基因重排及原生質(zhì)體融合相結(jié)合，大大提高了出發(fā)菌株的產(chǎn)量，單菌搖瓶發(fā)酵產(chǎn)量達(dá)到3.11 g/L，僅次于日本的S.aureofaciern菌株(4.5 g/L)和StreptomyceslydicusUSE-11菌株(4.0 g/L)。此外，GENG等[40]用染色體步移技術(shù)從菌株NK660中克隆到ε-聚賴氨酸的合成基因，將該基因成功導(dǎo)入到鏈霉菌ZX7中異源表達(dá)，篩選到的重組菌株具有合成ε-聚賴氨酸的能力。ε-聚賴氨酸合成基因的異源表達(dá)為ε-聚賴氨酸合成的分子育種提供了新的途徑。

4　ε-聚賴氨酸的應(yīng)用潛力

4.1ε-聚賴氨酸應(yīng)用于食品添加劑

ε-聚賴氨酸是一種天然多肽，也是一種生物堿，具有可溶于水，可生物降解?；谖铡⒎植?、代謝、排泄及安全性試驗(yàn)，已經(jīng)證實(shí)它對人體和環(huán)境無害[42]，具有廣譜的抗菌活性及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性而被用于食品防腐劑[43-44]。ε-聚賴氨酸本身乳化能力低，但通過麥拉德反應(yīng)與葡萄糖結(jié)合，可以顯著提高其乳化活性，優(yōu)于其他的商業(yè)乳化劑，因此也被用于食品乳化劑[43,45]。胰脂肪酶可以促進(jìn)腸道脂肪的吸收從而導(dǎo)致肥胖，但ε-聚賴氨酸可以抑制胰脂肪酶的活性，是一種可以有效消除肥胖的膳食添加劑[46]。

4.2ε-聚賴氨酸應(yīng)用于醫(yī)藥

干擾素具有抗病毒和抗腫瘤的作用[47]，poly I · poly C可以誘導(dǎo)干擾素的產(chǎn)生，但血清中常常含有核糖核酸酶會(huì)很快降解poly I · poly C，導(dǎo)致誘導(dǎo)干擾素的能力低下。LEVY等將poly I poly C 與ε-聚賴氨酸溶解在0.5 %的羧甲基纖維素里，核糖核酸酶的降解活性將降低5～10倍，從而可以提高其誘導(dǎo)干擾素的產(chǎn)量。表明ε-聚賴氨酸在醫(yī)藥上很有應(yīng)用前景[48]。

抗葉酸劑氨甲蝶呤(MTX)是廣泛應(yīng)用的抗癌藥物，但因運(yùn)載載體的缺陷而產(chǎn)生耐藥性[42]。ε-聚賴氨酸被證明容易被細(xì)胞攝取，且與MTX結(jié)合能顯著提高其向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的效率，是MTX潛在的載體，能克服MTX由于缺陷運(yùn)載而產(chǎn)生的耐藥性[49-51]。因此ε-聚賴氨酸還能作為藥物轉(zhuǎn)送的載體。

20世紀(jì)末，利用基因修改體細(xì)胞的基因型進(jìn)而治療疾病的研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展[52-53]，而引進(jìn)基因到細(xì)胞的主要障礙是缺乏運(yùn)送基因的載體[42]。 ZAUNER等發(fā)現(xiàn)ε-聚賴氨酸之類的陽離子聚合物可以通過離子間的相互作用與DNA形成復(fù)合物，它還可以壓縮DNA分子，阻止其被核酸酶降解，具有用作基因載體的潛能[54]。然而，ε-聚賴氨酸與DNA的結(jié)合產(chǎn)物也具有很多缺點(diǎn)，溶解度低，轉(zhuǎn)染效率低，具有一定的細(xì)胞毒性等[55]。如果將ε-聚賴氨酸與乳糖和聚乙二醇結(jié)合，形成 Lac-PEG-PL復(fù)合體， 將能成功解決以上問題，成為基因轉(zhuǎn)運(yùn)的有效載體[56]。

此外，ε-聚賴氨酸在醫(yī)藥上還有很多其他用途。ε-聚賴氨酸通過與氯甲基交聯(lián)，形成的水不溶性聚合物，可以有效去除細(xì)菌內(nèi)毒素LPS層[57]。ε-聚賴氨酸還可以通過固定葡萄糖氧化酶，用于葡萄糖傳感器的制備[58]。早在10幾年前，含有ε-聚賴氨酸或其衍生物的納米膠囊被設(shè)計(jì)用于遞送眼藥和封裝用于在體內(nèi)遞送生物活性分子的細(xì)胞系[59]。ε-聚賴氨酸還被用于吸水材料，作為生物芯片或生物電子的涂層材料等多種用途[42]。

[1]HIROHARA H, TAKEHARA M, SAIMURA M, et al. Biosynthesis of poly(ε-L-lysine) in two newly isolated strains ofStreptomycessp.[J]. Appl Microbiol Biotechnol,2006,73(2):321-331.

[2]SHIMA S, MATSUOKA H, IWAMOTO T, et al. Antimicrobial action of ε-poly-L-lysine [J]. J Antibiot,1984,37(11):1 449-1 455.

[3]SHIMA S, FUKUHARA Y, SAKAI H. Inactivation of bacteriophages by ε-poly-L-lysine produced byStreptomyces[J]. Agric Biol Chem,1982, 46:1 917-1 919.

[4]HIROHARA H, SAIMURA M, TAKEHARA M, et al. Substantially monodispersed poly(ε-L-lysine)s frequently occurred in newly isolated strains ofStreptomycessp.[J].Appl Microbiol Biotechnol, 2007, 76(5):1 009-1 016.

[5]NISHIKAWA M, OGAWA K. Distribution of microbes producing antimicrobial ε-poly-L-lysine polymers in soil microflora determined by a novel method [J]. Appl Environ Microbiol,2002,68(7):3 575-3 581.

[6]朱宏陽. ε-多聚賴氨酸產(chǎn)生菌株的篩選和發(fā)酵條件的研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2005.

[7]REN X D, CHEN X S, ZENG X, et al. Acidic pH shock induced overproduction of ε-poly-L-lysine in fed-batch fermentation byStreptomycessp. M-Z18 from agro-industrial by-products[J].Bioprocess Biosyst Eng,2015,38(6):1 113-1 125.

[8]EL-SERSY N A, ABDELWAHAB A E, ABOUELKHIIR S S, et al. Antibacterial and anticancer activity of ε-poly-L-lysine (ε-PL) produced by a marineBacillussubtilissp.[J].Journal of Basic Microbiology,2012, 52(5)：513-522.

[9]CHHEDA A H, VERNEKAR M R, CHHEDA A H, Improved production of natural food preservative ε-poly-L-lysine using a novel producerBacilluscereus[J].Food Bioscience, 2014,7:56-63.

[10]張超，張東榮，賀魏，等.一種簡便的ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的篩選方法[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2006，44(11)：1 104-1 107.

[11]段杉，朱偉珊. ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的篩選[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2007，33(8)：14-17.

[12]李樹，陳旭升，廖莉娟，等.ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的篩選方法改進(jìn)[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2010,29(2)：282-287.

[13]黃 莉，唐仁勇，張佳敏，等.ε-多聚賴氨酸產(chǎn)生菌的篩選及 16S rDNA 測序鑒定[J].食品工業(yè)科技，2013，34(17)：163-172.

[14]黃靜敏.ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌新菌株的篩選和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的鑒定[J].微生物學(xué)通報(bào)，2011，38(6)：871-877.

[15]賈士儒. ε-多聚賴氨酸產(chǎn)生菌TUST-2的分離與鑒定[J].微生物學(xué)學(xué)報(bào)，2010,50(2):191-196.

[16]LI S, TANG L, CHEN X S, Isolation and characterization of a novel ε-poly-L-lysine producing strain:Streptomycesgriseofuscus[J]. J Ind Microbiol Biotechnol, 2011, 38:557-563.

[17]ITHAKI F R. Colorimetric method for estimating polylysine and polyarginine[J].Analytical Biochemistry,1972,50(2):569-574.

[18]楊玉紅.ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌的篩選、鑒定及發(fā)酵的研究 [D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[19]TAKEHARA M, HIBINO A, SAIMURA M, et al. High-yield production of short chain length poly(ε-llysine) consisting of 5-20 residues byStreptomycesaureofaciens, and its antimicrobial activity[J]. Biotechnol Letter,2010, 32(9): 1 299-1 303.

[20]OUYANG J, XU H, LI S, et al. Production of ε-poly-L-lysine by newly isolatedKitasatosporasp. PL6-3[J].Biotechnol J, 2006, 1(20):1 459-1 463.

[21]SHIMA S, SAKAI H, Poly-L-lysine Produced by Streptomyces. Part III. Chemical Studies[J].Agricultural and Biological Chemistry, 1981,45(11): 2 503-2 508.

[22]劉盛榮. ε-多聚賴氨酸生物合成及代謝調(diào)控[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[23]HIRAKI J, MORITA H. Strain mass-producing Epsilon-Poly-L-lysine,a method for Using its strain and a method for producing Epsilon-Poly-L-lysine[P]. European Patent.EP0256423A2,1988.2.24

[24]KAHAR P, IWATA T, HIRAKI J, et al. Enhancement of ε-Polylysine production byStreptomycesalbulusstrain 410 using pH contorl. Journal of Bioscience and Bioengineering,2001,91(2):190-194.

[25]HIRAKI J, HATAKEYAMA M, MORITA S, et al. Improved poly-L-lysine production of an S-(2-aminoethyl)-L-cysteine resistance mutant ofStreptomycesalbulus[J]. Seibutsu Kogaku, 1998, 76(12): 487-493.

[26]董惠鈞. 生物防腐劑-ε-多聚賴氨酸的初步研究[D].天津：天津科技大學(xué)，2003.

[27]姜俊云. ε-多聚賴氨酸生產(chǎn)菌株的選育與發(fā)酵工藝的研究[D]. 天津：天津科技大學(xué)，2004.

[28]陳瑋瑋,朱宏陽,徐虹.ε-聚賴氨酸高產(chǎn)菌株選育及分批發(fā)酵的研究[J].工業(yè)微生物，2007, 37(2):28-30.

[29]張 超，王正剛，段作營，等.大劑量紫外誘變選育ε-聚賴氨酸高產(chǎn)菌[J]. 生物加工過程，2007, 5(3)：64-68.

[30]張海濤，李 燕，歐 杰，等. 誘變選育ε-聚賴氨酸產(chǎn)生菌突變株[J].食品科學(xué)，2007, 28(9):398-401.

[31]陳旭升。ε-聚賴氨酸高產(chǎn)菌株選育與發(fā)酵過程優(yōu)化[D].無錫：江南大學(xué)，2008.

[32]叢茂林，許鵬，譚之磊，等. 氮離子入法篩選ε-聚賴氨酸高產(chǎn)菌株[J].現(xiàn)代食品科技，2009，25(5)：491-494.

[33]李雙雙，吳振強(qiáng)，吳清平，等.產(chǎn)ε-聚賴氨酸白色鏈霉菌復(fù)合誘變選育研究[J] 中國釀造，2010(12):108-111.

[34]田豐偉，程傳榮，袁維涵，等. 原生質(zhì)體誘變選育ε-聚賴氨酸高產(chǎn)菌株[J].微生物學(xué)通報(bào)，2010, 37(10): 1 457-1 461.

[35]譚之磊，王甜，宋帥，等.ε-聚賴氨酸高產(chǎn)菌株的誘變選育[J].中國食品添加劑，2011，5:99-102.

[36]WANG T, JIA S R, TAN Z L, et.al. Mutagenesis and selective breeding of a high producing ε-poly-L-lysine strain [J].Front Chem Sci Eng，2012, 6(2): 179-183.

[37]YOSHIMITSU H, INE N, YUSUKE H, et al. Development of gene delivery systems for the -poly-L-lysine producerStreptomycesalbulus[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2005,99(6):636-641.

[38]LI S, LI F, CHEN X S, et al. Genome shuffling enhanced ε-poly-L-lysine production by improving glucose tolerance ofStreptomycesgraminearus[J].Appl Biochem Biotechnol,2012, 166(2):414-423.

[39]LI S, CHEN X S, DONG C L, et al. Combining genome shuffling and interspecific hybridization amongStreptomycesimproved ε-poly-L-lysine production[J].Appl Biochem Biotechnol,2013, 169(1):338-350.

[40]GENG W T, YANG C, GU Y Y, et al. Cloning of ε-poly-L-lysine (ε-PL) synthetase gene from a newly isolated ε-PL-producingStreptomycesalbulusNK660 and its heterologous expression inStreptomyceslividans[J]. Microbial Biotechnology,2014,7(2):155-164.

[41]ZHOU YP, REN XD, WANG L, et al. Enhancement of ε-poly-lysine production in ε-poly-lysine-tolerantStreptomycessp. by genome shuffling [J].Bioprocess Biosyst Eng，2015,38(9):1-9.

[42]SHIH I L, SHEN M H, VAN Y T. Microbial synthesis of poly(ε-lysine) and its various applications[J].Bioresource Technology,2006,97(9):1 148-1 159.

[43]HIRAKIJ. Basic and applied studies on ε-polylysine[J]. J Antibact Antifungal Agents, 1995,23: 349-354.

[44]HIRAKIJ. ε-polylysine, its development and utilization [J].Fine Chem,2000,29(1):25-28.

[45]OTSUKA N, KUWAHARA Y, MANABE K, Effect of ε-poly-lysine on preservation of boiled noodles[J].Nippon Shokuhin Kogyo Gakkaishi, 1992,39: 344-347.

[46]KIDO Y, HIRAMOTO S, MURAO M, et al. ε-Polylysine inhibits pancreatic lipase activity and suppresses postprandial hypertriacylglyceridemia in rats[J].J Nutr, 2003,133(6):1 887-1 891.

[47]FIELDS A K, TYTELL A A, LAMPSON G P, et al. Inducers of interferon and host resistance. Multistranded synthetic polynucleotide complexes [J].Proc Natl Acad Sci USA, 1967, 58(3):1 004-1 009.

[48]LEVY H B, BAER G, BARON S, et al. A modified polyriboinosinic-polyribocytidylic acid complex that induces interferon in primates [J].J Infect Dis, 1975,132(4): 434-439.

[49]RYSER H J P, SHEN W C. Conjugation of methotrexate to poly(L-lysine) increase drug transport and overcome drug resistance in cultured cells [J].Proc Natl Acad Sci, 1978,75(8):3 867-3 870.

[50]SHEN W C, RYSER H J P. Poly(L-lysine) and poly(d-lysine) conjugates of methotrexate: different inhibitory effect on drug resistant cells[J].Mol Pharmacol,1979,16(2):614-622.

[51]SHEN W C, RYSER H J P. Poly(L-lysine) has different membrane transport and drug-carrier properties when complexed with heparin[J].Proc Natl Acad Sci, 1981,78(12):7 580-7 593.

[52]MULLIGAN R C. The basic science of gene therapy[J].Science, 1993,260:926-932.

[53]HANANIA E G., KAVANAGH J, HORTOVAGYL G., et al. Recent advances in the application of gene therapy to human disease[J].Am J Med,1995, 99(5):537-552.

[54]ZAUNER W, OGRIS M, WAGNER E. Polylysine-based transfection systems utilising receptor-mediated delivery[J].Adv Drug Delivery Rev, 1998,30:97-113.

[55]LEDLEY F D. Nonviral gene therapy: the promise of genes as pharmaceutical products[J]. Hum Gene Ther, 1995,6(9):1 129-1 144.

[56]CHOI Y H, LIU F, PARK J S, et al. Lactose-poly(ethylene glycol)-grafted poly-L-lysine as heptoma cell-targeted gene carrier[J].Bioconjugate Chem, 1998, 9(6):708-718.

[57]HIRAYAMAC, SAKATA M, NAKAMURA M, et al. Preparation of poly(ε-lysine) adsorbents and application to selective removal of lipopolysaccharides[J].J Chromato, 1999,712(2):187-195.

[58]SUYE S I, KUMON Y, ISHIGAKI A. Immobilization of glucose oxidase on poly-(L-lysine)-modified polycarbonate membrane[J].Biotechonol Appl Biochem, 1998, 27(3):245-248.

[59]OKADA N, MIYAMOTO H, YOSHIOKA T, et al. Immunological studies of SK2 hybridoma cells microencapsulated with alginate-poly(l)lysine-alginate (APA) membrane following allogenic transplantation[J].Biochem Biophys Res Commun, 1997,230(3):524-527.

Research progress on the ε- polylysine producing strains and its application

SHI Hui1, LI Chan-juan1, ZHANG Jun-hong2*

1(School of Food and Biotechnology of Wuhan Institute of Design and Sciences,Wuhan 430205, China)2(College of Horticulture & Forestry Sciences of Huazhong Agriculture University,Wuhan 430070, China)

Epsilon-polylysine is a polypeptide secreted by microorganisms，which has broad-spectrum antibacterial and anti-phage activity. It is easily biodegradable and harmless to the human body. Epsilon-polylysine is mainly secreted byStreptomycesalbusgenus,KitasatofusariumandClaviceospurpurea. In recent years, it has been reported thatStreptomycesgriseoaurantiacus,Strepomycespadanus,BacillussubtilisandBacilluscereusalso can secrete epsilon-polylysine. Most of the selection methods are modified from method of Nishikawa and Ogawa to be more effective. The yield of the strain was generally improved by mutation breeding and molecular modification. DES and UV or both of them are common mutagens used in the mutation breeding, and the protoplast fusion, gene rearrangement and chromosome walking are commonly used molecular modification methods. Now, the highest yield of epsilon-polylysine producing strain for the shaking flask fermentation in the world isS.aureofaciernstrain from Japan with yield of 4.5 g/L. But the strain with the highest yield isStreptomycessp. in China and its yield reaches 3.11 g/L. Epsilon-polylysine shows broad application prospects. It has been used in food additives, especially as a food preservative. Previously research also showed that epsilon-polylysine had great application potential in medicine and biological materials.

epsilon-polylysine;selection;mutation breeding;molecular breeding

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201609044

碩士，副教授(張俊紅教授為通訊作者,E-mail: zhangjunhng@mail.hzau.edu.cn)。

2015年度湖北省教育廳優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目基金(T201534)

2015-10-31，改回日期：2016-04-13