不同聚合度ε-聚赖氨酸抑菌差异性及其相关基础研究

ε-Poly-L-lysine (ε-PL) has been approved as a food additive by United States, Japan, and other developed countries. Its safety has been widely recognized, but the bacteriostatic mechanism still remains unclear. Studies have shown that the antimicrobial properties of ε-PL are dependent on the degree of polymerization, however, the deep-seated mechanism causing the difference is still unknown. In order to explain the phenomenon of dependence between polymerization degrees and ε-PL antibacterial properties and clarify the underlying mechanism, E.coli is used as the object of study, and the effects of ε-PL on the cellular ultrastructure, the binding targets in microbial cells, and the metabolic fate of ε-PL will be studied by fluorescent labeling, isotopic tracing, and microscopy. Microbial response mechanism to ε-PL will be researched by omics technology combined with multivariate statistical methods to explore the variations of key intracellular components such as nucleic acids, proteins, and metabolites. The project aims to reveal the underlying mechanism for the relationship between polymerization degrees of ε-PL and antibacterial properties and the model for bacteriostatic mechanism of ε-PL with different polymerization degrees will be proposed. The subject would be of important scientific significance to elucidate the mechanism for interaction of ε-PL with microbial cells and to explain the stress responses and coordination mechanisms of microbial cells in response to changes in external substances, which would also provide a reference for in-depth study of interactions between other peptides and cells.

ε-聚赖氨酸（ε-PL）已被美国、日本等发达国家批准为食品添加剂使用，其安全性已得到公认，但其抑菌机理仍未明确。有研究表明不同聚合度ε-PL的抑菌性能存在显著性差异，但造成这种差异的深层次机制还是未知。针对不同聚合度ε-PL抑菌差异这一现象，为阐释不同聚合度ε-PL抑菌机理这一关键科学问题，以ε-PL作用于大肠杆菌为例，通过荧光标记、同位素示踪手段与显微技术观察ε-PL对微生物细胞超微结构的影响、作用位点与其代谢去向，利用组学技术与多元统计手段研究ε-PL作用下微生物的响应机制，确定ε-PL作用于微生物后，细胞内关键组分如核酸、蛋白及代谢物的变化规律，进而阐明不同聚合度ε-PL抑菌差异性的原因，构建不同聚合度ε-PL的抑菌模型。对于深入阐明ε-PL与微生物相互作用机理，解释微生物细胞对外界物质变化的应激反应与协调机制具有重要科学意义，同时为深入研究其它肽类物质与细胞相互作用提供借鉴依据。

ε-聚-L-赖氨酸（ε-Poly-L-lysine，ε-PL）是一种由25-35个L-赖氨酸通过ε-氨基和α-羧基缩合而成的碱性聚酰胺。由于ε-PL具有良好的热稳定性、安全性和广谱抑菌性，作为食品防腐剂广泛应用于食品等领域。我国卫计委已在2014年4月批准ε-PL作为食品添加剂新品种。又由于不同聚合度ε-PL的抑菌性能存在显著性差异（相同质量下，低聚合度ε-PL的抑菌活性较弱，高聚合度ε-PL的抑菌活性较强）；在有些食品加工中ε-PL会与食品组成成分相互结合，导致抑菌活性降低；另外，在ε-PL抑菌过程中微生物细胞内发生何种变化，这些变化是否会影响到食品的品质尚不明确。针对这些问题，分别以真菌酿酒酵母，革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌为研究对象，进行了不同聚合度ε-PL抑菌机理的研究。通过微生物细胞活性的测定，阐明ε-PL抑菌活性是否具有剂量依赖性；利用电镜等技术观察ε-PL对微生物细胞超微结构的影响、作用位点；通过测定ε-PL作用于微生物后其细胞膜及细胞壁关键组分的变化，解释ε-PL对微生物表面结构的作用机制；利用代谢组学、脂质组学、转录组学等组学技术与多元统计手段研究ε-PL作用下微生物的响应机制，确定ε-PL作用于微生物后，细胞内关键组分如核酸、蛋白及代谢物的变化规律，进而阐明不同聚合度ε-PL抑菌差异性的原因，构建了不同聚合度ε-PL的抑菌模型。由此得出三点结论：（1）ε-PL抑菌活性具有剂量依赖性，即ε-PL浓度越高抑菌活性越强；（2）在针对酿酒酵母的研究中发现，ε-PL抑菌活性存在两段性，即ε-PL的抑菌机理和杀菌机理不同；（3）ε-PL处理微生物会使微生物发生相应的应激反应，如ε-PL处理后的大肠杆菌会分泌一种多糖物质进行自我保护。研究结果对于深入阐明ε-PL与微生物相互作用机理，解释微生物细胞对外界物质变化的应激反应与协调机制具有指导意义，同时为深入研究其它肽类物质与细胞相互作用提供可借鉴的依据。