乳酸菌FM03的碱性pH值驱动的代谢可塑性

《Environmental Microbiology》：Alkaline pH-Driven Metabolic Plasticity of Lactococcus lactis FM03

研究乳酸乳球菌FM03在pH 6、7、8下的代谢适应性。发现碱性pH（≥8）显著抑制混合酸发酵途径相关酶的表达（下调1.5-13.5倍），导致代谢转向低效的同型乳酸发酵，生物量产量下降20%。显微分析显示细胞形态趋于球形，表面体积比降低约10%，限制底物摄取。蛋白组学证实pH依赖的代谢调控机制，为优化碱性条件下的工业发酵提供理论依据。

　　在乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）的研究中，许多关注点集中于其在中性或酸性环境中的代谢特性，而对于碱性环境下的生理与代谢行为，了解仍然较为有限。本研究聚焦于一种重要的乳制品启动菌——乳酸乳球菌（*Lactococcus lactis*）的亚种 *lactis* 生物型 diacetylactis FM03，在碱性环境（pH 6、7 和 8）下其代谢和形态的适应性变化。研究采用乳糖限制的连续培养系统（chemostat），并结合蛋白质组学分析，揭示了乳酸乳球菌在不同pH条件下如何调整其代谢路径和细胞形态，从而影响其生长表现。

乳酸乳球菌通常在无氧条件下，通过糖酵解与发酵作用获取能量。在中性或酸性环境中，其代谢路径倾向于混合酸发酵（mixed-acid fermentation），这种路径能够生成更多的ATP，因此在能量上更具优势。然而，在碱性条件下，乳酸乳球菌的代谢行为发生显著变化，主要转向同乳酸发酵（homolactic fermentation）。这种转变在较低的生长速率下尤为明显，导致生物量产出减少约20%。尽管生物量的维护系数和单位ATP的最高生物量产出未发生变化，但整体生物量的减少表明碱性环境对乳酸乳球菌的代谢效率产生了负面影响。

蛋白质组学分析进一步揭示了这种代谢转变的分子基础。在碱性pH条件下，与混合酸发酵相关的酶活性显著下降，降幅从1.5倍到13.5倍不等，表明其代谢能力受到限制。这种酶的表达减少可能是由于碱性环境对细胞代谢路径的调控，导致其在资源分配上发生调整。此外，细胞形态的变化也与pH密切相关。在碱性条件下，乳酸乳球菌的细胞趋向于更加球形，减少了细胞的表面积与体积比（S/V ratio）。这种形态变化可能影响了细胞对底物的摄取效率，从而限制了其在高生长速率下的最大生长能力。

在碱性pH条件下，乳酸乳球菌的细胞形态与代谢路径的调整可能是其适应环境的一种策略。尽管细胞体积没有随生长速率增加而扩大，但其形态的改变可能在一定程度上影响了细胞表面的物质交换能力，导致乳糖的摄入受限。同时，细胞的球形化可能减少了其对外界营养物质的接触面积，从而降低了细胞对营养的利用率。这些形态上的变化可能进一步限制了细胞在高生长速率下的代谢效率，成为生物量产出减少的一个潜在因素。

此外，研究还探讨了乳酸乳球菌在不同pH条件下代谢产物的分布。在碱性pH下，混合酸发酵的产物（如乙酸、甲酸和乙醇）的产量显著降低，而乳酸的产量则大幅上升。这表明，当pH升高时，乳酸乳球菌倾向于减少混合酸发酵的代谢活动，转而加强同乳酸发酵的代谢途径。这种代谢路径的转变可能与细胞内部的代谢调控机制有关，如NADH/NAD?比值的变化、酶的表达水平调整以及细胞膜中溶质运输系统的可用性变化。然而，具体的调控机制仍存在争议，需要进一步研究来明确。

研究还发现，在碱性pH条件下，乳酸乳球菌的某些关键酶，如丙酮酸甲基转移酶（Pta）、乙醇脱氢酶（AdhE）和乙酸激酶（AckA2）的表达未受到显著影响。这些酶的稳定性可能意味着乳酸乳球菌在碱性条件下仍能维持基本的代谢功能。然而，混合酸发酵路径中其他酶的表达则明显减少，如丙酮酸甲基转移酶激活蛋白（PflA）和相关酶类，这表明在碱性pH下，混合酸发酵路径的代谢能力受到严重抑制，导致其无法维持较高的ATP生产速率。

细胞形态的改变也可能影响到细胞的代谢效率。例如，在碱性pH下，细胞的表面积与体积比下降，这可能限制了细胞对乳糖的摄入能力，进而影响其生长速率。同时，细胞形态的变化可能影响了细胞的生存能力，如在碱性pH下，细胞更倾向于形成较大的细胞团，这种现象虽然未完全解释生物量减少的原因，但提示了细胞在碱性环境中的适应性策略。

此外，研究还发现，乳酸乳球菌在碱性pH下，其代谢产物的分布发生了变化。在pH 8条件下，乳酸的产量占代谢产物的大部分，而混合酸发酵的产物则显著减少。这种代谢路径的转变不仅影响了ATP的生成效率，还可能对细胞的代谢平衡产生影响。例如，同乳酸发酵虽然在能量产出上不如混合酸发酵，但其代谢过程更加稳定，有助于维持细胞内的NAD?平衡，从而避免代谢失衡带来的生长抑制。

在讨论部分，研究指出乳酸乳球菌的代谢路径转变可能与其在碱性环境下的生存策略有关。尽管乳酸乳球菌在碱性条件下能够维持一定的代谢能力，但其代谢效率的下降可能与其细胞形态的调整以及代谢路径的限制有关。此外，研究还探讨了乳酸乳球菌在不同pH条件下的能量利用模式，发现尽管ATP的生成效率下降，但通过增加糖酵解的代谢通量，乳酸乳球菌仍能维持一定的生长速率。这种代谢策略的调整可能反映了其在资源有限环境下的适应性。

在工业发酵过程中，pH是一个重要的调控参数，它不仅影响微生物的生长速率，还可能改变其代谢产物的组成。因此，理解乳酸乳球菌在不同pH条件下的代谢行为，对于优化发酵工艺具有重要意义。例如，在某些乳制品的生产过程中，pH的变化可能影响乳酸的积累，进而影响产品的风味和质地。通过调控pH，可以引导乳酸乳球菌的代谢路径，从而实现对发酵产物的精准控制。

研究还发现，乳酸乳球菌在碱性pH下的细胞形态变化可能与其代谢路径的调整相辅相成。在pH 8条件下，细胞的形态趋向于更加球形，这可能减少了细胞的表面积与体积比，进而影响了细胞对营养物质的吸收效率。这种形态变化可能是乳酸乳球菌在碱性环境下的适应性反应，以减少能量消耗和代谢负担。

综上所述，本研究揭示了乳酸乳球菌在碱性环境下的代谢和形态适应性变化。这些发现不仅有助于理解乳酸菌在不同pH条件下的生理行为，还为工业发酵过程中的pH调控提供了新的视角。未来的研究可以进一步探讨乳酸乳球菌在碱性环境下的具体适应机制，以及如何通过调控pH来优化其代谢路径，从而提高发酵效率和产物质量。