LuxS/AI-2群体感应系统调控发酵乳杆菌B41合成γ-氨基丁酸（GABA）的分子机制及其在富GABA发酵乳开发中的应用

为解决γ-氨基丁酸（GABA）商业化生产瓶颈问题，研究人员以发酵乳杆菌B41（Limosilactobacillus fermentum B41）为对象，揭示了LuxS/AI-2群体感应（QS）系统通过上调LuxS和ArgD蛋白表达调控GABA合成的分子机制，并成功开发GABA含量达201.53±7.83 μg/mL的发酵乳，为功能性食品开发提供新策略。

　　

论文解读

背景与科学问题
γ-氨基丁酸（GABA）作为重要的神经递质，在抗糖尿病、抗抑郁等领域展现巨大应用潜力。然而，天然来源GABA含量有限，化学合成工艺复杂，而传统微生物合成依赖谷氨酸脱羧酶（GAD）的途径面临产量瓶颈。乳酸菌（LAB）因其安全性和发酵特性被视为理想生产菌株，但高产机制不明。尤其令人困惑的是，某些缺乏GAD的菌株仍能合成GABA，暗示存在替代代谢通路。与此同时，群体感应（QS）系统被发现可调控细菌功能因子合成，其中LuxS/AI-2系统在LAB中广泛存在，但其与GABA合成的关联尚未阐明。

研究设计与技术路线
来自云南某研究机构的团队以云南山羊乳源发酵乳杆菌B41（L. fermentum B41）为研究对象，整合AI-2活性检测、4D数据非依赖采集（DIA）定量蛋白质组学、Western blot验证及发酵乳制备技术，系统解析了LuxS/AI-2-QS系统调控GABA合成的分子机制。

主要结果

AI-2与菌体生长及GABA含量的相关性
生长曲线显示菌体在2-10h进入指数期，此时AI-2活性与GABA含量同步升高（p<0.05），而添加QS抑制剂呋喃酮后两者均显著下降，证实LuxS/AI-2系统正向调控GABA合成。

蛋白质组学揭示关键通路
通过比较10h（QS峰值）与2h（低谷期）的蛋白表达谱，鉴定出657个差异表达蛋白（DEPs），其中335个上调蛋白包含核心酶LuxS和GABA转氨酶ArgD。KEGG分析显示DEPs富集于半胱氨酸/甲硫氨酸代谢和GABA合成通路，暗示AI-2通过代谢重编程促进GABA前体供应。

Western blot验证关键靶点
实验证实LuxS（S-核糖基高半胱氨酸酶）和ArgD在指数期表达量显著增加，二者协同催化高半胱氨酸代谢生成GABA，这解释了非GAD依赖的合成途径。

发酵乳应用验证
将B41与保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌共发酵，获得GABA含量达201.53±7.83 μg/mL的发酵乳（p<0.05），显著高于普通发酵乳，证实其工业化应用潜力。

结论与展望
该研究首次阐明LuxS/AI-2-QS系统通过LuxS-ArgD代谢轴调控GABA合成的分子机制，突破了传统GAD途径的认知局限。开发的富GABA发酵乳为功能性食品创新提供范例，而4D-DIA技术的应用为微生物代谢调控研究树立新方法学标杆。未来可通过优化QS信号强度或定向改造ArgD酶活进一步提升产量，推动GABA商业化生产进程。