乳酸乳杆菌副干酪亚种Shirota菌株细胞壁多糖LCPS-1通过调控表面电势增强酸耐受性的机制研究

本研究揭示了乳酸乳杆菌副干酪亚种Shirota菌株(LcS)的细胞壁多糖LCPS-1通过显著降低细菌表面负电势(73-83%)，减弱H+和Cu2+等阳离子的静电吸附，从而提升对酸性环境和重金属胁迫的耐受性。该发现为开发高稳定性益生菌制剂提供了新思路。

　　

在益生菌产业和功能食品开发领域，菌株的酸耐受性直接决定其能否在严苛的胃酸环境中存活并发挥功效。乳酸乳杆菌副干酪亚种Shirota菌株(Lacticaseibacillus paracasei strain Shirota, LcS)作为广泛应用于发酵乳制品的明星益生菌，其独特的细胞壁多糖LCPS-1此前已被发现与免疫调节相关，但对其物理保护机制的认识仍存在重大空白。特别是在发酵过程和消化道转运中，菌株需要同时应对有机酸、无机酸以及重金属离子等多重胁迫，这些环境压力与细胞表面电荷特性存在怎样的关联？这正是Yakult Honsha公司的研究团队在《Current Research in Microbial Sciences》发表的最新研究要解决的核心科学问题。

研究团队采用基因敲除技术构建了LCPS-1缺失突变株Δcps，通过比较野生型与突变株在酸化和重金属环境中的生长差异，结合zeta电位测量等电生理学手段，系统解析了LCPS-1的防护机制。实验设计涵盖盐酸、乳酸、乙酸三种酸化条件，以及CuO纳米颗粒诱导的铜离子胁迫模型，同时通过不同pH和离子强度的缓冲体系验证表面电势变化的稳定性。

3.1 LCPS-1增强酸化牛奶中的生长
在pH4.5的酸化牛奶中，野生型LcS的CFU增殖倍数(16.9±1.6)显著高于Δcps突变株(10.4±0.9)，证实LCPS-1对发酵过程中自产酸的防护作用。

3.2-3.3 对无机/有机酸的广谱保护
在pH4.5的盐酸培养基中，野生型12小时生物量达突变株的2.2倍；对乳酸和乙酸的耐受性实验显示，酸性条件下野生型始终维持1.6-2.7倍的增长优势，证明LCPS-1对H⁺的通用防御机制。

3.4 表面电势的定量解析
zeta电位测量揭示关键发现：野生型在pH7.0时电位为-3.7mV，较突变株(-13.8mV)降低73%。这种电势差异在pH4.0-7.0范围和0.5-50mM不同离子强度下保持稳定，说明LCPS-1通过物理屏障而非化学修饰改变电荷分布。

3.5 碱性环境中的反向表型
在pH10.5处理180分钟后，Δcps存活率(73%)反而高于野生型(47%)，符合负电荷减弱会减少OH^-排斥的理论预期，佐证了电势调控假说。

3.6 铜离子耐受性验证
0.01% CuO暴露下，野生型24小时生物量显著超过突变株，证实LCPS-1能削弱Cu²⁺等阳离子的细胞表面富集，拓展了其对重金属应激的防护维度。

这项研究首次建立了细胞壁多糖-表面电势-离子应激耐受性的完整理论框架：LCPS-1作为电中性多糖，通过将滑移面外推形成物理屏障，使zeta电位绝对值降低73-83%，从而弱化H⁺和Cu²⁺的静电吸附。该机制不仅解释了LcS在发酵和消化道环境中的生存优势，更为理性设计抗逆菌株提供了新策略——通过调控表面多糖的分子构象或表达量，可精确优化菌株对特定离子环境的适应性。从应用角度看，该发现对提升益生菌在酸性食品中的存活率、开发重金属污染环境的生物修复剂具有双重指导价值，标志着微生物表面工程研究进入了电生理调控的新阶段。