甘氨酸补充剂能够重塑代谢过程，促进植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）的生长，并增强其应对压力的能力

《Food Microbiology》：Glycine supplementation reshapes metabolism and enhances growth and stress tolerance in Lactiplantibacillus plantarum

　　摘要
甘氨酸在微生物代谢中起着关键作用，但其在植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）中的功能尚未完全明了。本研究采用综合计算和实验方法，探讨了甘氨酸补充对这种细菌的代谢和生理影响。基于植物乳杆菌参考基因组注释（lpl, T00115）的计算机模拟KEGG通路分析表明，甘氨酸裂解系统（M00621）和甜菜碱降解途径（M00975）的表示存在不足，这可能意味着甘氨酸分解和C1单元生成的途径存在局限性。分子对接分析显示，甘氨酸可以结合到与甘氨酸相关及依赖叶酸的途径相关的酶的结合位点上。STRING网络分析进一步提示这些蛋白质可能与苏氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸的生物合成网络有联系。体外实验表明，10 mM的甘氨酸能产生最高的可见生物量积累，并且随着甘氨酸浓度的增加，生物量积累也相应增加（以OD600值衡量）。有趣的是，甘氨酸处理还改变了菌落的形态，并改变了其对β-内酰胺类抗生素的敏感性。此外，甘氨酸补充还能提高细菌在胆盐和渗透压应力条件下的存活率。这些发现表明，在所测试的条件下，外源性甘氨酸可能有助于植物乳杆菌的生物量相关反应和应激相关表型。此外，表型和参考基因组信息表明，甘氨酸的可用性与植物乳杆菌KCCM 11322的生长和应激相关反应有关，为氨基酸补充在食品微生物学应用中的机制验证提供了基础。

引言
植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）是一种兼性异型发酵乳酸菌，广泛用于食品发酵、益生菌和工业生物技术。它对多种环境的适应性支持了多种生物过程，包括发酵食品生产和功能性益生菌（Wang et al., 2013）。在食品发酵和益生菌应用中，稳定的生长、可存活的生物量产生以及对环境压力的耐受性对于维持菌株表现至关重要。在发酵、加工、储存和胃肠道传输过程中，植物乳杆菌可能会遇到渗透压、胆汁相关、酸性以及其他压力条件，这些都可能降低细胞活力和功能稳定性。因此，提高植物乳杆菌生长和稳健性的营养策略与食品微生物学及相关生物过程直接相关。尽管对其代谢多样性进行了广泛研究，但甘氨酸在生长和代谢途径中的作用仍不清楚。虽然许多细菌可以自行合成甘氨酸，但在内源性生产或培养基来源供应不足时，外源性甘氨酸可能在生理上变得重要，因为甘氨酸支持蛋白质合成以及参与核苷酸生物合成和氧化还原平衡的丝氨酸/甘氨酸-四氢叶酸一碳网络（Kikuchi et al., 2008）。然而，它对植物乳杆菌代谢和生长优化的具体贡献仍知之甚少。最新研究强调了甘氨酸在细菌氧化还原平衡和甲基转移中的作用，特别是在快速增殖或应激适应条件下（Hong et al., 2020; Wang et al., 2013）。然而，基于植物乳杆菌参考基因组注释（lpl, T00115）的参考基因组注释和京都基因组百科全书（KEGG）通路分析表明，甘氨酸裂解系统（作为甘氨酸分解和整合到C1代谢的中心途径）在通路注释层面表达不完全（Hutson et al., 2005; KIKUCHI et al., 2008）。这种预测的途径级限制可能会影响甘氨酸的回收和关键中间产物（如5,10-亚甲基-THF）的生成，而这些中间产物是DNA合成和氨基酸转化所必需的（Kikuchi et al., 2008）。因此，在促进生长的条件下，外源性甘氨酸或叶酸相关中间产物可能支持植物乳杆菌的生物合成需求（Genton et al., 2021; Wang et al., 2013）。先前对嗜酸乳杆菌（Limosilactobacillus reuteri）和乳酸菌（Lacticaseibacillus casei）的研究表明，甘氨酸代谢与在酸性、氧化性和渗透压应力下的存活密切相关，这增强了其生理重要性（Marques et al., 2020）。益生菌必须承受多种压力，如胆汁暴露和胃肠道内的渗透压波动。了解氨基酸补充如何影响细菌的应激耐受性，可能为优化益生菌性能提供实际见解。此外，研究表明甘氨酸补充可以增强细菌活力并调节其他益生菌菌株的细胞能量代谢（Kumar et al., 2021; Minami et al., 2004）。在植物乳杆菌的背景下，外源性甘氨酸可能影响生物量相关反应和可存活细胞积累，尤其是在营养受限或需求高的环境中（Hutson et al., 2005; Saeed et al., 2025）。甘氨酸的可用性还可能与细菌对抗生素的敏感性变化有关，这可能是通过与其包膜相关的生理反应实现的。甘氨酸参与细菌细胞包膜关键结构成分的生物合成，其丰度可以调节细胞壁的完整性和β-内酰胺类抗生素的作用（Giordano & Barnini, 2024）。尽管植物乳杆菌缺乏金黄色葡萄球菌中的五甘氨酸桥，但甘氨酸可用性的变化可能与包膜相关的生理反应和应力耐受性有关（Song et al., 2022）。植物乳杆菌KCCM 11322已被用于食品发酵相关研究，并被评估为一种潜在的益生菌候选菌株，其功能与发酵性能、微生物种群动态、代谢产物谱及食品相关功能特性有关（Kim & Hong, 2020; Park et al., 2016）。然而，甘氨酸补充对该菌株生长和代谢反应的影响仍不清楚。因此，本研究采用了综合计算和体外实验方法，探讨了甘氨酸补充对植物乳杆菌KCCM 11322的影响。首先，基于参考基因组的KEGG通路分析用于识别与甘氨酸相关的代谢途径及其在细菌生理中的潜在作用。此外，进行分子对接模拟，以研究甘氨酸与关键代谢酶之间的相互作用，从而了解甘氨酸在植物乳杆菌中的功能重要性。进一步利用STRING网络分析探讨甘氨酸相关的蛋白质-蛋白质相互作用及其在更广泛代谢网络中的参与。除了计算分析外，还进行了体外实验，以评估不同培养条件下甘氨酸对细菌生长的影响。在德曼氏、罗戈萨氏和夏普氏培养基（MRS）中进行了生长测定，以评估不同营养成分对植物乳杆菌增殖的影响。此外，还进行了最小抑制浓度（MIC）和最小杀菌浓度（MBC）测定，以确定植物乳杆菌的抗菌敏感性，并研究甘氨酸的可用性是否影响细菌生长。最后，进行了甘氨酸补充实验，以检查其对生物量相关OD600值、活细胞计数和代谢活性的影响。通过整合计算通路分析、分子相互作用研究和体外验证，本研究旨在深入理解甘氨酸补充在植物乳杆菌KCCM 11322中的代谢和生理意义。这些发现可能有助于优化细菌生长条件，对食品发酵和益生菌培养开发具有潜在意义。在这种情况下，研究甘氨酸补充对植物乳杆菌KCCM 11322的影响可能为改进发酵起始菌株制备和益生菌生物量生产提供有用信息。特别是，提高的应激耐受性可能有助于在发酵、储存和宿主相关条件下维持细菌活力。此外，本研究通过将生物信息学预测与生理结果联系起来，提供了关于甘氨酸补充在植物乳杆菌KCCM 11322中的代谢和功能后果的宝贵见解。通过阐明甘氨酸利用的代谢背景并识别对甘氨酸富集的具体反应，这些发现为植物乳杆菌KCCM 11322在食品发酵和益生菌相关应用中的进一步优化提供了基础。

章节摘要
KEGG通路分析
使用KEGG数据库研究了植物乳杆菌参考基因组注释（lpl, T00115）与MRS培养基成分之间的关系。该分析基于植物乳杆菌参考基因组注释（lpl, T00115），而不是特定菌株植物乳杆菌KCCM 11322的基因组序列。MRS培养基中的成分，如蛋白胨、肉提取物、酵母提取物、葡萄糖和盐类，分别与相关的KEGG通路（包括糖酵解、柠檬酸循环和氨基酸代谢）进行了比对（表1）。更详细的植物乳杆菌通路图谱（包括MRS培养基以外的其他代谢过程）见补充表S1。分析显示，蛋白胨、肉提取物和酵母提取物在氨基酸和肽的供应中起关键作用，涉及的途径包括谷氨酸、丙氨酸、精氨酸和嘌呤的代谢。

讨论
本研究旨在探讨甘氨酸补充在植物乳杆菌中的代谢和生理相关性。通过结合计算建模和体外实验，我们探讨了甘氨酸补充与关键代谢途径、生物量相关反应和应激相关表型的关系。这些发现为解释甘氨酸相关通路特征及其观察到的功能反应提供了参考基因组信息。

结论
本研究提供了基于参考基因组的实验见解，说明了甘氨酸补充在植物乳杆菌KCCM 11322中的代谢和生理相关性。通过基于植物乳杆菌参考基因组注释（lpl, T00115）的KEGG通路分析、分子对接、蛋白质网络推断以及使用植物乳杆菌KCCM 11322进行的体外实验，考虑了与甘氨酸相关的通路特征以及观察到的生物量相关和应激相关反应。

作者贡献声明
Byeong-Su Kang：写作–审阅与编辑、验证、方法学、正式分析
Eon-Bee Lee：写作–原始草稿、验证、方法学、调查、正式分析、概念化
Do-Hyung Kim：正式分析、验证、写作–审阅与编辑
Md Sekendar Ali：写作–审阅与编辑、验证、正式分析
Hyeon-Ju Lee：写作–审阅与编辑、验证、方法学
Hyeon-Ji Han：写作–原始草稿、可视化、方法学

未引用的参考文献
Rychen et al., 2018; Bennekou et al., 2025

数据可用性
本研究期间生成和/或分析的数据集可应相应作者的要求提供。

资助
本工作得到了浦项国立大学（202506290001）资助的全球联合研究计划的支持。
本研究是“全球蓝色食品领导项目（RS-2025-02373103）”的一部分，该项目由韩国海洋渔业部资助。

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢浦项国立大学生命海洋医学系的成员提供的技术协助和有益讨论。作者还感谢浦项国立大学提供的计算和实验室设施。

Hyeon-Ji Han | Si-Heon Song | Md Sekendar Ali | Hyeon-Ju Lee | Byeong-Su Kang | Do-Hyung Kim | Eon-Bee Lee
浦项国立大学生命海洋医学系，韩国釜山48513