高密度接枝对乳酸链球菌素抗菌效果的增强及其机理

Nisin is an antimicrobial peptide produced by Streptococcus lactis, widely used as efficient, non-toxic, safe and natural food preservative in the food industry such as meat products and dairy products. Nisin effectively inhibits many gram-positive bacteria that cause food spoilage, but has no significant effect on Gram-negative bacteria. Based on the previous work, we propose that high-density grafted nisin can improve the antibacterial effect. In other words, nisin grafted on chitosan or other macromolecules by covalent combination increases local concentration of nisin. Its ability to attack and destruct bacterial cell membrane enhanced antibacterial activity and widened antibacterial range through the synergistic effect. In this project, we will study the interactions between high-density grafted nisin and model cell membrane (giant unilamellar phospholipid vesicles) or real bacterial cell membrane by confocal laser scanning microscope and other experimental techniques. Computer simulations (dissipative particle dynamic & Coarse-grained molecular Dynamics) will also be introduced to explore the influence and mechanism of local concentration on the antibacterial ability. The improvement of nisin antibacterial ability will provide theoretical basis for enhancing the stability and shelf life of dairy products, meat products and other food systems.

乳酸链球菌素是一种由乳酸链球菌产生的抗菌肽，被作为高效、无毒、安全、无副作用的天然食品防腐剂广泛应用于肉制品、乳制品等食品行业。它能有效抑制引起食品腐败的许多革兰氏阳性菌，但对革兰氏阴性菌则无明显效果。我们在前期工作基础上，提出通过高密度接枝能够提高乳酸链球菌素的抗菌效果：即通过共价交联将乳酸链球菌素接枝到壳聚糖等大分子上，使其局部数密度增加，通过多个乳酸链球菌素分子的协同效应，增强其攻击细菌细胞膜的能力和对膜的破坏效果，从而增强其抗菌活性及抗菌范围。本项目通过共聚焦荧光显微等实验技术，观测高密度接枝乳酸链球菌素与模型细胞膜体系（巨型单层磷脂囊泡）和真实细菌细胞膜体系的相互作用情况，并结合耗散粒子动力学、粗粒化分子动力学等两种计算机模拟方法，探讨局部区域数密度对其抗菌能力的影响及机制，为提高乳酸链球菌素的抗菌能力，从而提高乳制品、肉制品等食品体系的稳定性和货架期提供科学基础和理论依据。

乳酸链球菌素是一种由乳酸链球菌产生的抗菌肽，被作为高效、无毒、安全、无副作用的天然食品防腐剂广泛应用于肉制品、乳制品等食品行业，能够有效抑制引起食品腐败的微生物。乳酸链球菌素的抑菌机制有两个方面，一是对细胞膜的穿孔和破坏，二是与糖脂合成酶上的巯基反应抑制其活性，阻止细胞壁的合成。我们在前期工作基础上，提出通过高密度接枝能够提高乳酸链球菌素的抗菌效果：即通过共价交联将乳酸链球菌素接枝到壳聚糖等大分子上，使其局部数密度增加，通过多个乳酸链球菌素分子的协同效应，增强其攻击细菌细胞膜的能力和对膜的破坏效果，从而增强其抗菌活性。本项目首先通过京尼平的交联作用，将乳酸链球菌素接枝到壳聚糖的表面，制备和鉴定高密度接枝乳酸链球菌素，在此基础上通过实验和计算机模拟分析高密度接枝对乳酸链球菌素抗菌效果的增强情况，揭示提高局部区域数密度对其抗菌能力的影响机制，最后制备高密度接枝乳酸链球菌素的复合保鲜膜材料，进一步将该机制应用到肉制品等体系中，研究其抗菌能力及提高食品稳定性的能力。研究结果表明，通过京尼平能够将nisin的N端接枝到大分子壳聚糖上，并保持其抗菌活性。当壳聚糖浓度较高，nisin接枝浓度较低时，其抗菌活性略有下降，这可能是由于接枝到大分子壳聚糖上后降低了nisin分子的自由度，限制了nisin的聚集和对细菌细胞膜的攻击；随着壳聚糖浓度的降低，nisin接枝浓度提高时，接枝产物的抗菌活性逐渐增强，这是由于壳聚糖浓度降低后能够提供nisin接枝的氨基位点减少，使得nisin的局部区域数密度增加，邻近的抗菌肽可以协同攻击脂质膜，从而增强了nisin破坏细菌细胞膜的能力。另外，通过京尼平将nisin与壳聚糖交联制备成复合抗菌膜，所制得的抗菌膜具有较强的抗菌活性，对于鱼肉具有较好的保鲜效果。本研究为提高乳酸链球菌素的抗菌能力，从而提高肉制品等食品体系的稳定性和货架期提供科学基础和理论依据。