Relationship between acid tolerance and cell membrane in Bifidobacterium, revealed by comparative analysis of acid-resistant derivatives and their parental strains grown in medium with and without Tween 80
- 作者
- Xu Yang, Xiaomin Hang, Min Zhang, Xianglong Liu, Hong Yang
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s00253-015-6447-y
- 所属领域
- 微生物学
- 关键词
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解决的核心问题
双歧杆菌作为益生菌需要耐受酸性环境，但其酸耐受性较弱，限制其应用。本研究旨在探索细胞膜与酸耐受性之间的关系，以理解酸耐受机制并开发增强策略。
研究策略
通过长期暴露于致死酸性环境，分离出两株稳定的酸耐受突变株（B. longum JDY1017dpH和B. breve BB8dpH），并比较其在含/不含Tween 80培养基中与亲本株的酸耐受性、膜脂肪酸组成、膜流动性和cfa基因表达，以揭示细胞膜变化对酸耐受性的贡献。
核心内容
本研究通过将两株双歧杆菌（B. longum JDY1017与B. breve BB8）长期暴露于致死酸性环境，成功分离出酸耐受性稳定提高的突变株JDY1017dpH和BB8dpH，并系统比较了其与亲本株在不同Tween 80培养条件下的酸耐受性、膜脂肪酸组成、膜流动性及cfa基因表达差异。结果显示，在含Tween 80培养基中，突变株酸耐受性比亲本高10^4至10^5倍，无Tween 80时仍分别高出181倍和245倍。突变株膜中C18:1和环丙烷脂肪酸cycC19:0含量显著增加，平均脂肪酸链长由约16.5升至17.0以上，膜流动性降低（荧光各向异性值升高），cfa基因表达上调3.6倍和2.2倍。连续传代20天后突变株酸耐受表型保持稳定。研究表明，膜脂肪酸组成优化和流动性降低是酸耐受性增强的核心机制，有助于阻止氢离子进入细胞，为通过膜工程改良益生菌耐酸性能提供了理论依据。
创新点
1. 成功分离出具有稳定酸耐受表型的双歧杆菌突变株；2. 发现Tween 80存在时酸耐受突变株与亲本株的差异显著增大；3. 揭示了膜脂肪酸组成（特别是C18:1和环丙烷脂肪酸增加）和膜流动性降低是酸耐受性提高的主要原因。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bifidobacterium longum JDY1017 / JDY1017dpH | 膜脂肪酸代谢 | cfa | 环丙烷脂肪酸合成酶 (CFA synthase) | 催化 | 催化C18:1转化为环丙烷脂肪酸cycC19:0 |
| Bifidobacterium breve BB8 / BB8dpH | 膜脂肪酸代谢 | cfa | 环丙烷脂肪酸合成酶 (CFA synthase) | 催化 | 催化C18:1转化为环丙烷脂肪酸cycC19:0 |
| 双歧杆菌细胞 | 细胞膜结构 | — | — | 区室化 | 细胞膜作为屏障，其脂肪酸组成和流动性影响酸耐受性 |
关键发现
- 在含Tween 80培养基中，B. longum JDY1017dpH和B. breve BB8dpH的酸耐受性比亲本株高10^4~10^5倍
- 在不含Tween 80时，分别高181倍和245倍。含Tween 80时，突变株的C18:1和cycC19:0含量更高，平均脂肪酸链长分别为17.04和17.48（亲本为16.50和16.92），膜流动性更低（荧光各向异性值分别为0.135和0.138，亲本为0.126和0.130），cfa基因表达分别提高3.6倍和2.2倍。突变株在连续传代20天后仍保持稳定的酸耐受表型。
研究结论
在含Tween 80的培养基中，酸耐受突变株的酸耐受性显著提高主要归因于细胞膜的显著变化：更多C18:1和环丙烷脂肪酸、更长平均脂肪酸链长、更低膜流动性，这些变化有助于阻止H+进入细胞，增强酸耐受性。该结果为通过细胞膜改造增强双歧杆菌酸耐受性提供了理论依据。