短链羧酸和醇的结构特性与肠道沙门氏菌在酸性环境中的分子生理响应关联研究

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Structural properties of short-chain carboxylic acids and alcohols relate to the molecular and physiological response of Salmonella enterica in an acidic environment

本研究针对短链羧酸（SCCA）和短链醇（SCALC）在酸性环境（pH 4.5）中对肠道沙门氏菌的抑制作用及机制展开探索。通过分析不同结构化合物（如乙酸、苯乙酸、3-苯基乳酸等）对细菌生长、代谢及基因表达的影响，发现SCCA的抗菌活性强于SCALC，且苯基和羟基的引入显著改变化合物效力。研究揭示了沙门氏菌通过调节氨基酸代谢、鞭毛组装等通路应对酸应激，为天然防腐剂在食品保鲜中的应用提供了分子依据。

　　

在发酵食品如酸奶、香肠和泡菜中，酸性环境是抑制病原微生物生长的天然屏障。然而，食源性病原体如肠道沙门氏菌（Salmonella enterica）仍能在pH低至4.5的条件下存活，甚至引发疾病暴发。这一现象引出一个关键问题：为何某些沙门氏菌菌株能抵抗发酵食品中的酸性应激？短链羧酸（SCCA）和短链醇（SCALC）作为天然抗菌剂，在食品防腐中扮演重要角色，但其结构特性（如碳链长度、苯基或羟基取代）如何影响抗菌活性和细菌的应激响应，尚缺乏系统研究。

传统观点认为，SCCA和SCALC的抗菌机制遵循“弱酸理论”：在低pH环境下，未解离的酸分子更易穿透细胞膜，破坏内部pH稳态。但近年研究发现，化合物的疏水性（如log K_ow值）和功能基团可能进一步调控其抗菌效力。例如，苯基的引入可能增强化合物与细胞膜的相互作用，而羟基则可能降低毒性。为揭示结构-功能关系，本研究以肠道沙门氏菌为模型，探究了9种结构相关的SCCA和SCALC（包括乙酸AA、丙酸PA、乳酸LA、苯乙酸PAA等）在pH 4.5条件下对细菌生长、代谢及基因表达的影响。

研究人员通过微量稀释法测定最小抑制浓度（MIC₅₀），发现SCCA的抗菌活性普遍强于SCALC。例如，苯乙酸（PAA）的MIC₅₀为2.6 mM，而结构相似的苯乙醇（2PEol）为11.5 mM。进一步分析表明，苯基的引入显著增强抗菌效果（如3-苯基丙酸3PP的MIC₅₀低至1.5 mM），而羟基的加入则削弱活性（如LA的MIC₅₀为28.8 mM，远高于PA的4.5 mM）。生长动力学实验显示，SCCA处理可延长沙门氏菌的滞后期（lag phase），例如20 mM LA使滞后期延长6小时，而SCALC（如1PPol和3PPol）在同等条件下无显著影响。代谢分析发现，沙门氏菌可部分利用LA（消耗60%）和某些SCALC，并伴随乙酸（AA）和丙酸（PA）的积累。值得注意的是，当细菌生长抑制达20%时，AA产量显著增加，提示代谢重编程可能与细菌适应性下降相关。

为深入解析分子机制，团队采用RNA测序（RNA-seq）技术分析基因表达谱。主成分分析（PCA）表明，SCCA与SCALC处理引发截然不同的转录响应。SCCA（如PA和3PP）上调丙酸代谢、1,2-丙二醇（1,2-PD）和乙醇胺代谢通路相关基因，这些通路涉及代谢小体（metabolosome）的形成，可能帮助细菌解毒或能量获取。而LA和3-苯基乳酸（3PL）则显著抑制鞭毛组装基因（如flg、fliA），并降低细菌运动性。此外，所有处理均激活氮代谢（如硝酸还原酶基因nar、nap）和氨基酸生物合成（如谷氨酸脱氢酶gdhA、精氨酸合成酶argCBH），表明沙门氏菌通过增强氮同化和pH缓冲机制应对酸应激。

关键实验技术包括：微量稀释法测定MIC₅₀、生长动力学参数分析、超高效液相色谱（UPLC）和核磁共振（NMR）定量代谢物、RNA提取与测序（RNA-seq）、差异表达基因（DEGs）的KEGG/GO富集分析、群游运动（swarming）实验。

SCCA抑制沙门氏菌的效果强于SCALC，且苯基增强活性

通过比较不同结构化合物的MIC₅₀，发现SCCA（如PAA、3PP）的抗菌活性显著高于SCALC（如2PEol、3PPol）。苯基的引入通过增加疏水性提升膜穿透能力，而羟基则降低化合物毒性。

SCCA延长细菌滞后期并干扰代谢平衡

生长曲线分析显示，SCCA处理（如PA、LA）使沙门氏菌滞后期延长3-6小时，且AA积累与生长抑制呈正相关。代谢实验表明，沙门氏菌能利用LA作为碳源，但PA代谢受阻，提示能量代谢紊乱。

基因表达谱揭示化合物特异性应激响应

转录组分析识别出2011个差异表达基因（DEGs）。SCCA激活丙酸代谢和微区室形成相关通路（如pdu、eut operon），而LA和3PL下调鞭毛基因，导致运动性降低。氮代谢和氨基酸合成通路普遍上调，以维持pH稳态。

鞭毛组装抑制与运动性下降关联化合物结构

群游实验证实，LA和3PL处理使沙门氏菌运动直径减少50%以上，与flg、fliA基因下调一致。这表明羟基化SCCA可能通过抑制运动性减弱细菌毒力。

本研究系统阐明了SCCA和SCALC的结构特性（碳链长度、苯基/羟基取代）与抗菌活性、细菌适应性及分子响应的关联。发现苯基化和羧基化增强抗菌效力，而羟基化可能削弱毒性但抑制运动性。沙门氏菌通过调节氮代谢、氨基酸合成及代谢小体形成等多重机制适应酸应激。这些结果不仅深化了对天然抗菌剂作用机制的理解，还为开发靶向性食品防腐策略提供了理论依据。例如，苯基类SCCA（如3PP）或可作为高效生物防腐剂，用于抑制发酵体系中的病原体；而LA和3PL对运动性的抑制提示其可能减少细菌播散风险。未来研究可聚焦于化合物-膜互作的结构优化，以提升食品安全保障水平。