大肠杆菌O157:H7和沙门氏菌噬菌体及其内溶酶和穿孔素的研究

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大肠杆菌O157:H7(Escherichia coli O157:H7)和沙门氏菌(Salmonella spp.)是严重危害公共卫生安全的食源性致病菌。这两种细菌能在食品加工和贮藏的相关胁迫下诱导产生交叉适应现象,因此细菌在后续杀菌或抑菌处理中得以存活。且抗生素大量和长期的使用使越来越多的细菌出现耐药性。随着全球对不使用化学防腐剂生产食品需求的增加,噬菌体作为一种天然的生物防治手段,为食品工业的消毒杀菌提供了一种新选择。但是,在噬菌体制剂的研发过程中发现了一些不足或缺陷。噬菌体的增殖依赖于其宿主的生长速度,在不生长的宿主细胞中不发生增殖。因此,确定噬菌体使用的最佳时间和剂量是噬菌体制剂在实际应用中的关键点。且致病菌容易对噬菌体产生抗性,出现体噬菌体不敏感突变株(phage insensitive mutants,PIMs)。PIMs的出现和噬菌体的高特异性也限制了其作为抑菌剂的应用,可通过制备噬菌体鸡尾酒(即噬菌体混合物)来解决这个问题。此外,噬菌体的内溶酶和穿孔素作为噬菌体裂解系统的功能蛋白,具有作用迅速、裂解谱宽于亲本噬菌体、无细胞毒性、低耐药性发生概率以及能与现有抗生素协同作用等优点,能解决活体噬菌体在实际应用中的不足。因此,内溶酶和穿孔素有潜力成为新型抗菌剂。本论文以大肠杆菌O157:H7和沙门氏菌为宿主菌,筛选噬菌体并评估这些噬菌体的抑菌潜力;选择抑菌潜力最好的大肠杆菌O157:H7噬菌体EC-p9和沙门氏菌噬菌体SM-p2,对其内溶酶和穿孔素的抑菌潜力进行评估。论文的主要研究结果如下:(1)从重庆市嘉陵江中分离得到以大肠杆菌O157:H7和沙门氏菌为宿主菌的噬菌体共13株。其中9株能裂解大肠杆菌O157:H7,分别命名为EC-p1、EC-p2、EC-p3、EC-p4、EC-p5、EC-p6、EC-p7、EC-p8和EC-p9;4株能裂解沙门氏菌,分别命名为SM-p1、SM-p2、SM-p3和SM-p4。这些噬菌体都有不同的宿主范围、潜伏期和爆发量。噬菌体EC-p9(10 min,333.33 PFU/cell)和SM-p2(10 min,119.56 PFU/cell)具有最短的潜伏期、最大爆发量和最高的特异性。此外,EC-p4、EC-p6、EC-p9、SM-p2和SM-p4对温度和p H的稳定性高,且这五个噬菌体能连续抑制其宿主浮游菌至少10 h。因此,选择这五个噬菌体处理其宿主菌的生物被膜。结果表明,这些噬菌体都能有效的抑制宿主菌生物被膜的形成并分解宿主菌形成的生物被膜,其中EC-p9和SM-p2控制其宿主菌生物被膜的能力最强。(2)通过透射电镜和随机引物扩增鉴定了噬菌体EC-p9和SM-p2,通过PCR扩增获得这两种噬菌体的内溶酶和穿孔素的编码基因,利用分子生物学技术预测了这四种蛋白理化性质,利用大肠杆菌表达系统表达了四种重组蛋白。结果显示,两种噬菌体属于ds DNA肌尾噬菌体科(Myoviridae)。噬菌体EC-p9和SM-p2的内溶酶和穿孔素被命名为Lys 9、Hol 9、Lys 2和Hol 2。Lys 9和Lys 2是球形结构的内溶酶,属于N-乙酰胞壁酸酶。具有一个N端酶活结构域,属于Muraidase家族;还具有一个结合结构域,属于PG_binding_1家族。Hol 9和Hol 2是具有1个跨膜结构的典型Ⅲ型穿孔素,属于Bacteriophage T holin家族。Lys 9、Lys 2、Hol 9和Hol 2都是水溶性蛋白。在最佳表达条件下表达重组蛋白并利用镍柱纯化,得到浓度分别为5.331 mg/m L、5.419 mg/m L、3.145 mg/m L和2.191 mg/m L的Lys9、Lys 2、Hol 9和Hol 2。此外,Hol 9和Hol 2的表达对表达感受态细胞BL21(DE3)具有毒害作用。(3)研究了内溶酶和穿孔素的功能。Lys 9,Hol 9,Lys 2和Hol 2具有广谱的杀菌活性,对多种革兰氏阳性和革兰氏阴性菌都具有较好的抑菌效果,裂解谱远远宽于亲本噬菌体的裂解谱。Lys 9,Hol 9,Lys 2和Hol 2的裂解活性分别在30、20、40和30 min后保持稳定,最高的裂解活性分别为61.348%、81.120%、74.251%和83.356%。这四种蛋白在4,25和37℃处理15 min后保持较高的裂解活性,且在50℃处理15 min后仍具有一定的裂解活性;在p H 4-10时保持较高的稳定性,且在中性条件下表现出最高的裂解活性;EDTA能显著增加Lys 9和Lys 2的裂解活性(P<0.05)。这四种蛋白连续处理细菌多代,不会诱导细菌对其产生抗性。且内溶酶和穿孔素能协同抑制病原菌。以上结果表明Lys 9,Hol 9,Lys 2和Hol 2具有广阔的应用前景。
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