本方案详细描述了从健康猪粪便中分离、纯化和鉴定产杆菌肽的Bacillus licheniformis的完整且系统的过程。
方法文章
本方案详细描述了从健康猪粪便中分离、纯化和鉴定产杆菌肽的Bacillus licheniformis的完整且系统的过程。
Bacillus licheniformis 及杆菌肽在医药、化工、水产养殖、农业及农副产品等领域具有巨大的应用市场和价值。因此,选育高产杆菌肽的 B. licheniformis 具有重要意义。本实验方案从健康猪的新鲜粪便中分离、纯化并鉴定了高产杆菌肽的 Bacillus 菌株,同时检测了其次级代谢产物杆菌肽对 Micrococcus luteus 的抑制作用。采用薄层色谱法和高效液相色谱法对杆菌肽进行定性和定量检测。通过相关试剂盒测定 B. licheniformis 的生理生化特性。利用基因序列检测分析并构建 B. licheniformis 的系统发育关系。本方案从多个角度系统描述和介绍了从动物新鲜粪便中分离、纯化和鉴定 B. licheniformis 的标准化流程,为工厂化大规模利用 B. licheniformis 及杆菌肽提供了方法支持。
Bacillus licheniformis 是厚壁菌门(Firmicutes)芽孢杆菌属(Bacillus)的一个物种,广泛分布于水体、土壤及动物肠道等多种环境中1。B. licheniformis 呈短粗杆状,独立运动2。菌落近圆形,表面 dull,中央隆起,边缘整齐,呈灰白色3。其生长与繁殖能力强,可吸收并利用多种碳源中的营养物质,如单糖、多糖、酮糖和有机酸4。在生长发育后期,B. licheniformis 可以休眠孢子形式存在,并产生杆菌肽、地衣素和表面活性素等抗菌物质,同时能够耐受营养缺乏和极端外界环境5。该菌无明显密码子偏好性,其高效的分泌系统决定了其异源蛋白分泌能力可达Bacillus subtilis的两倍6。常用于生产蛋白酶、淀粉酶和纤维素酶等酶制剂7。由于不含内源性毒素,已被欧洲食品安全局(EFSA)认证为食品安全菌株,并列入合格推定安全(QPS)名单8。因此,B. licheniformis 在水产养殖、农业、食品、生物医学和制药工业中具有广泛的应用前景,尤其在生物活性化合物生产方面潜力巨大。此外,B. licheniformis 是动物肠道菌群的重要组成部分,可促进动物提高生产性能、改善肠道菌群平衡并预防疾病。B. licheniformis ATCC14580 的全基因组于2004年完成分析,其转录翻译、蛋白质折叠及分泌机制的背景信息已逐步明确9。这些遗传信息有利于在分子水平上进行遗传改造,从而推动B. licheniformis的大规模生产应用。
杆菌肽是一种由B. subtilis和B. licheniformis在次级代谢过程中通过非核糖体肽合成酶产生的十二环肽类抗生素。杆菌肽是由多种组分(如杆菌肽A、B和C)组成的混合物,各组分之间有一个或两个氨基酸的差异;其中,杆菌肽A的生物活性最强10。杆菌肽可通过抑制细胞壁的形成以及与膜结合蛋白相互作用,抑制金黄色葡萄球菌(Staphylococcus)和藤黄微球菌(Micrococcus luteus)等革兰氏阳性菌以及部分革兰氏阴性菌11。同时,杆菌肽具有安全性高、稳定性好、不易产生耐药性,并可与其他抗菌药物配伍使用等优点12。因此,杆菌肽被广泛应用于医学和兽医临床。此外,由于其消除速度快、吸收率低,还可作为动物饲料添加剂使用13。
B. licheniformis 能够定植于肠道并改善胃肠道微环境。不同来源的芽孢杆菌在不同动物胃肠道中的黏附与繁殖能力及相关生理功能存在差异。猪源性B. licheniformis更有利于在猪及其他家畜肠道内定植。肠道益生菌的相对丰度与宿主健康状况密切相关14。在断奶仔猪日粮中补充B. licheniformis混合制剂可通过改变菌群组成和代谢活性来改善肠道生态系统,同时也影响肠道黏膜15。动物粪便可反映其肠道菌群的种类和数量。本方案描述了从健康猪粪便中分离和纯化产杆菌肽的芽孢杆菌(Bacillus spp.)的方法。粪便样本来源于未饲喂配合饲料、且在猪场中表现出优良生产性能的太湖母猪。通过形态学特征、理化性质及生化鉴定,将分离菌株鉴定为B. licheniformis。
所有实验程序均经南京工业大学伦理委员会记录并批准。粪便样品来源于约2年龄的太湖母猪(见材料表),这些母猪饲养于专业且标准化的养猪场。
1. 培养基的制备
2. 从健康猪的新鲜粪便中分离和纯化 Bacillus
3. 筛选对 M. luteus 活性的抑制作用
4. 通过薄层色谱法鉴定杆菌肽
5. 采用高效液相色谱法检测杆菌肽
6. 形态学鉴定
7. 生理学与生物化学鉴定
8. 菌株基因序列的测定
本实验从健康猪的新鲜粪便中分离出48株Bacillus,编号为1001至1048。其中,15株对M. luteus具有抗菌活性。对这15株菌株采用高效液相色谱法测定其杆菌肽效价,结果如表1所示。B. licheniformis No. 1026的杆菌肽效价最高,为456.35 ± 21.75 U/mL,因此选择No. 1026用于后续实验。
薄层色谱(TLC)的鉴定结果如图2A所示。菌株1026发酵液与杆菌肽标准品的主要斑点位置相同,Rf值为0.61。高效液相色谱(HPLC)分析中,杆菌肽的标准曲线方程为 y = 50.287x - 250.55,相关系数 R2 = 0.9968(图2B)。发酵上清液的出峰时间与杆菌肽标准品一致(图2C),因此确定该抑菌物质为杆菌肽,其效价为456.35 ± 21.75 U/mL。
菌株1026在LB培养基上培养12小时后的菌落形态如图3A所示。菌落呈圆形、透明,形似水滴,边缘整齐,隆起饱满。从12小时至24小时,细菌进入生长后期。如图3B所示,菌落向外扩散呈李子状,中心部位出现褶皱,颜色逐渐加深至乳白色,这与B. licheniformis16菌落形态的描述一致。菌落边缘有透明黏液。对菌株1026进行革兰氏染色后在显微镜下观察,结果如图3C所示,菌体呈紫色杆状,表明其为革兰氏阳性菌。
如表2所示,菌株1026能够在厌氧环境中生长。该菌株的V-P试验、柠檬酸盐利用、硝酸盐还原和淀粉水解试验均为阳性。该菌株能够分解并利用大多数碳源,其生理生化特性与B. licheniformis相同。
菌株1026的16S rDNA片段大小约为1400 bp(图4A)。菌株1026的测序结果与GenBank中B. licheniformis DSM 13的序列相似性达99.58%。随后构建了系统发育树,如图4B所示。B. licheniformis DSM 13的进化分支长度为0.000,表明该菌株为B. licheniformis。
根据菌株1026的形态学、生理学和生化特征,以及16S rDNA基因序列的同源性分析,鉴定菌株1026为B. licheniformis。

图1:菌株接种示意图。 使用接种环挑取菌落,并在抗菌活性检测培养基上以锯齿状模式划线接种。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:抑菌物质的鉴定。(A)薄层色谱法。(B)杆菌肽的高效液相色谱标准曲线。(C)高效液相色谱图。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:菌株No. 1026的形态特征及革兰氏染色结果。 菌落在(A)12小时和(B)24小时的形态。(C)革兰氏染色结果。请点击此处查看该图的高清版本。

图4:菌株No. 1026的分子生物学鉴定。(A)菌株No. 1026的16S rDNA基因扩增结果。(B)菌株No. 1026的系统发育树。请点击此处查看该图的放大版本。
| 编号 | 杆菌肽效价 (U/mL) | 编号 | 杆菌肽效价 (U/mL) |
| 1003 | 423.57±18.62 | 1021 | 317.46±13.46 |
| 1004 | 325.82±13.23 | 1026 | 456.35±21.75 |
| 1009 | 326.26±14.52 | 1027 | 435.57±19.18 |
| 1011 | 376.65±16.11 | 1030 | 382.48±17.64 |
| 1015 | 325.27±12.37 | 1031 | 215.37±11.73 |
| 1016 | 256.56±15.37 | 1039 | 353.67±16.16 |
| 1017 | 352.47±16.47 | 1041 | 342.36±14.36 |
| 1018 | 328.73±16.12 |
表1:具有抗菌活性菌株的杆菌肽效价。
| 项目 | 结果 | 项目 | 结果 |
| 厌氧生长试验 | + | D-甘露醇试验 | + |
| V.P. 试验 | + | 明胶试验 | + |
| 柠檬酸盐利用试验 | + | 7% NaCl 试验 | + |
| 丙酸盐试验 | + | pH 5.7 试验 | + |
| D-木糖试验 | + | 硝酸盐还原试验 | + |
| L-阿拉伯糖 | + | 淀粉水解试验 | + |
表2:菌株1026的生理生化鉴定。
B. licheniformis 在简单的培养条件下生长迅速且糖消耗快,成熟的发酵技术有助于降低工业生产成本13. 该技术的广泛应用 B. licheniformis 及其分泌物杆菌肽已显示出巨大的市场价值。在农业中, B. licheniformis 用作生物肥料,通过提高土壤肥力、促进根系发育以及协助有机物降解,从而改善植物生长和养分吸收15用于工业酶的生产, B. licheniformis 可产生多种酶,如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和脂肪酶,这决定了其在食品加工、洗涤剂制造、皮革处理和纺织工业中不可替代的市场价值16鉴于其优异的抗菌药理活性 B. licheniformis 以及杆菌肽,已在医学领域用于治疗由细菌和真菌引起的各种感染性疾病1同时,考虑到药用植物的生长以及植物中药理活性成分的积累, B. licheniformis 是一种潜在的植物生长促进剂,同时也可用于生产诸如 红景天-衍生的红景天苷17,18上述优点 B. licheniformis 杆菌肽在工业、农业、水产养殖、生物技术和医药行业中具有广泛应用。因此,其分离与纯化 B. licheniformis 高产的杆菌肽是确保后续大规模生产和应用的关键因素。
尽管杆菌肽可通过化学合成方法制备,但其步骤繁琐,且副产物较多。在工业上,杆菌肽主要通过地衣芽孢杆菌(B. licheniformis)发酵玉米粉和豆粕的次级代谢过程来生产。在现代杆菌肽工业生产中,高成本和低产率限制了其进一步应用10。因此,筛选高产杆菌肽菌株并提高原料利用率是提升杆菌肽产量的关键。
目前,高产杆菌肽菌株的选育主要通过从土壤及其他环境中进行自然选育、利用现有产杆菌肽菌株开展诱变育种,或基于基因工程的育种方式实现。自然选育操作简便,筛选获得的菌株产量稳定,但耗时较长,工作量大。诱变育种突变率高,可缩短育种周期,但突变性状在后续世代中可能无法稳定遗传16。基于基因工程的育种在获得高产菌株方面更具针对性10,但存在因引入外源基因而带来的安全性问题。健康成年动物的粪便中含有丰富的益生菌资源,能够维持菌群平衡。
本文基于B. licheniformis在极端环境中可形成休眠芽孢的特性19,将健康猪粪稀释液置于高温环境中,以杀死不产芽孢的耐热细菌和真菌。由于M. luteus对B. licheniformis在生长后期产生的抑菌肽敏感,且能产生易于观察的黄色色素,因此被用于通过抑菌圈评估来筛选抗菌活性。根据菌落形态与B. licheniformis形态相似、细胞形态为短杆状、革兰氏阳性、具有B. licheniformis的生理生化特征,以及16S rRNA与B. licheniformis高度同源,确定编号为1026的菌株为B. licheniformis。通过薄层色谱(TLC)和高效液相色谱(HPLC)鉴定其抑菌物质为杆菌肽。因此,获得了产杆菌肽的B. licheniformis。该方法也存在不足之处,例如筛选过程耗时较长,且操作需要一定经验。
综上所述,本实验方案全面且详细地介绍了产杆菌肽的B. licheniformis的获取及其常规实验室鉴定流程,该菌株具有广阔的应用前景和不可估量的市场价值20。这些方法简便、可行且易于实施,无疑将为B. licheniformis的大规模生产提供有效的参考依据。本文还为其他抗菌肽生产菌株的筛选提供了思路。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由国家重点研发计划(编号:2022YFC2104800)和江苏省“六大人才高峰”项目(编号:2019-NY-058)资助。
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