综述：蔗糖在枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）次级代谢产物生物合成与调控中的作用

《Microorganisms》：Secondary Metabolite Biosynthesis and Regulatory Role of Sucrose in Bacillus subtilis

　　

枯草芽孢杆菌是生产抗菌次级代谢产物的强大微生物平台，但碳代谢、群体感应、应激适应和发育调控严密控制着这些代谢产物的生物合成。因此，碳源不仅充当营养物质，而且充当决定细胞优先进行生物量形成还是次级代谢的调控输入。过量葡萄糖通常会加强碳代谢物阻遏（carbon catabolite repression, CCR），并抑制代价高昂的次级代谢产物合成途径。蔗糖以及糖蜜等富含蔗糖的底物可能提供更平衡的碳通量，在特定的营养和生理条件下支持生长、前体供应和过渡期代谢产物生成。本综述讨论了蔗糖如何通过SacP/SacA依赖性途径代谢，以及果糖和葡萄糖来源的中心碳途径，调节CcpA介导的CCR、ComQXPA-ComA群体感应、Spo0A-AbrB调控、应激反应、组学水平重编程以及通过特异性转运蛋白的外排，从而共同塑造枯草芽孢杆菌的抗菌代谢产物生成。特别关注surfactin、fengycin/plipastatin、bacilysin和bacillaene的产生与释放，因为这些化合物是由受碳源依赖性调控影响的非核糖体肽合成酶（non-ribosomal peptide synthetase, NRPS）和聚酮合酶（polyketide synthase, PKS）系统合成的。研究人员提出，蔗糖在调控次级代谢产物产生中充当代谢-调控底物，而非简单的碳源。这一视角为设计基于糖蜜的低成本、可规模化发酵策略提供了框架，以增强芽孢杆菌及其他微生物的抗菌物质产生。

1. 引言（Introduction）

微生物次级代谢产物具有抗菌、抗病毒、抗癌、免疫抑制及生物表面活性等重要生物学功能，其合成通常发生在指数生长后期或稳定期，受复杂的代谢与环境信号调控。枯草芽孢杆菌因具有一般认为安全（GRAS）地位、遗传易操作性、生长快速及强大的分泌能力，成为重要的微生物细胞工厂。次级代谢产物的生物合成主要受聚酮合酶（PKS）基因簇和大型非核糖体肽合成酶（NRPS）控制，并受碳代谢物阻遏、群体感应、应激响应σ因子和全局转录调控因子等网络调节。碳源不仅提供能量和前体，还作为信号分子影响基因表达。葡萄糖过量会通过激活碳代谢物阻遏（CCR）抑制次级代谢产物合成，而蔗糖和糖蜜类底物可能提供更平衡的碳通量。该综述旨在整合蔗糖摄取、中心碳代谢、CCR、群体感应、应激响应、NRPS/PKS生物合成基因簇激活及胞外分泌过程，阐述蔗糖对枯草芽孢杆菌抗菌代谢产物产生与释放的调控作用。

2. 枯草芽孢杆菌：治疗性代谢物的宝库（Bacillus subtilis: A Storehouse of Therapeutic Metabolites）

枯草芽孢杆菌将约4–5%的基因组用于次级代谢产物生物合成基因簇。NRPS和PKS系统的模块化组织赋予代谢产物巨大的结构多样性。产生的脂肽类包括surfactin、fengycin和iturin等；聚酮类包括bacillaene、difficidin和macrolactin；此外还产生bacilysin等肽类抗生素及挥发性有机化合物（VOCs）。surfactin由srfA基因编码，具有抗菌、抗生物膜和群体感应相关功能，可破坏脂膜完整性；fengycin对丝状真菌具有强抗真菌活性；bacilysin通过抑制葡萄糖胺合成酶干扰细胞壁合成；bacillaene则抑制原核生物蛋白质合成。次级代谢产物的产生受生长阶段、营养条件和环境胁迫等因素的显著影响，因此碳源选择是决定代谢产物产量的关键参数。

3. 蔗糖在次级代谢产物合成中的作用（Role of Sucrose in Secondary Metabolite Synthesis）

葡萄糖是优先利用的碳源，但过量葡萄糖会激活CCR，抑制高能量需求的次级代谢产物合成。蔗糖及富含蔗糖的糖蜜因成本低、来源广，在工业发酵中受到关注。蔗糖代谢能提供较为平衡的碳通量和前体供给，可能弱化CCR相关抑制。这种效应具有菌株特异性。例如，蔗糖与大豆粉、Mg²⁺等成分组合可提高枯草芽孢杆菌BH072的iturin A合成；糖蜜可显著提高枯草芽孢杆菌ANR88的脂肽产量（0.24 g/L），并促进BS5菌株的surfactin合成。非芽孢杆菌的研究也表明，蔗糖能促进链霉菌和真菌的抗菌次级代谢产物生成。通过代谢工程改造蔗糖利用途径，还可使重组大肠杆菌利用蔗糖合成多种高值产物。上述比较性证据为理解蔗糖的潜在调控作用提供了框架，但仍需在枯草芽孢杆菌中进行直接的机制验证。

4. 蔗糖介导的次级代谢产物合成调控（Sucrose-Mediated Regulation of Secondary Metabolite Synthesis）

4.1. CCR介导的代谢响应（CCR-Mediated Metabolic Response）

葡萄糖代谢导致ATP和果糖-1,6-二磷酸（F1,6-BP）水平升高，促使HPr在丝氨酸46位磷酸化，形成CcpA-HPr-Ser46-P复合物。该复合物识别靶基因启动子区的catabolite-responsive elements（CRE），抑制其他碳源利用相关基因，并间接抑制次级代谢产物合成。研究表明，蔗糖在枯草芽孢杆菌中介导的CcpA依赖性CCR明显弱于葡萄糖。蔗糖通过磷酸烯醇式丙酮酸依赖性磷酸转移酶系统（PTS）摄取，由蔗糖特异性转运蛋白SacP运输并生成蔗糖-6-磷酸，再经SacA水解为葡萄糖-6-磷酸和果糖。果糖需磷酸化后进入糖酵解及TCA循环，为三磷酸腺苷（ATP）、氨基酸前体和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）供给提供支持。在稳定期转变时，蔗糖来源的碳通量可能与群体感应、ComA依赖性surfactin操纵子激活及Spo0A调控网络整合，从而影响次级代谢产物合成。因此，蔗糖不仅是营养碳源，更是代谢-调控底物。

4.2. 群体感应介导的响应（Quorum Sensor-Mediated Response）

枯草芽孢杆菌通过群体感应（quorum sensing, QS）协调细胞密度依赖性基因表达。ComQXPA系统中，ComX信息素在胞外积累并被膜结合组氨酸激酶ComP感知，从而磷酸化响应调控因子ComA，激活srfA操纵子，启动surfactin合成。surfactin本身也可作为信号分子，促进生物膜形成和细胞分化。Rap-Phr系统通过分泌型Phr肽抑制Rap磷酸酶活性，进而解除对ComA和Spo0F等调控因子的抑制，微调群体感应响应。Spo0A通过抑制AbrB间接促进多种抗菌代谢产物合成。bacilysin、bacillaene、fengycin和subtilin等化合物的产生均与群体感应相关调控因子密切关联。非芽孢杆菌如假单胞菌、链霉菌、粘质沙雷菌和紫色色杆菌中也存在类似群体感应调控次级代谢的机制。需要注意的是，群体感应相关基因转录水平升高并不必然代表信号活性增强；蔗糖与群体感应介导的次级代谢调控之间的关系需结合功能或遗传证据加以确认。

4.3. 应激响应（Stress-Responsive）

次级代谢产物主要在指数生长后期或稳定期合成，与营养缺乏、温度变化和微生物竞争等应激条件密切相关。σ^B因子是枯草芽孢杆菌通用应激反应的主要介导者，激活后可促进细胞适应不利环境并增强抗菌物质产生。蔗糖或糖蜜培养基在一定浓度下可引起温和的渗透或营养应激，从而刺激次级代谢；但过高的底物浓度或渗透压则会抑制生长和生物合成能力。已有研究表明，低温胁迫可提高mycosubtilin产量；ScoC、AbrB和CodY负调控bacilysin合成；bacillaene相关pks基因的表达受Spo0A、CodY、DegU、ComA和ScoC调控，反映出竞争和应激响应的整合调控。此外，枯草芽孢杆菌6051可通过形成根部生物膜并产生surfactin来保护拟南芥免受病原菌侵染。这表明次级代谢产物在应激条件下兼具生态适应和竞争功能。

5. 蔗糖在次级代谢产物胞外转运中的作用（Role of Sucrose in Extracellular Transport of Secondary Metabolites）

次级代谢产物的疗效不仅取决于胞内合成，还依赖于胞外释放。枯草芽孢杆菌主要通过Sec和Tat途径分泌蛋白质，而核糖体合成肽、细菌素、羊毛硫抗生素和非核糖体脂肽等则主要通过ABC（ATP-binding cassette）、MFS（major facilitator superfamily）和RND（resistance-nodulation-division）外排泵输出。蔗糖补充培养基可提高B. amyloliquefaciens MT45中srfA和swrC基因的表达，这些基因与surfactin合成和转运相关，同时ccpA、codY、degU和spo0A等全局调控因子的表达也上调。糖蜜可作为低成本底物促进枯草芽孢杆菌UFPEDA 438等菌株的胞外生物表面活性剂和脂肽产生。已鉴定的转运蛋白包括负责sublancin加工的ABC转运蛋白SunT、参与surfactin外排的RND家族转运蛋白YerP/SwrC，以及YcxA、KrsE和与plipastatin分泌相关的YoeA等。然而，直接证明蔗糖或糖蜜增强转运蛋白活性的证据仍然有限，转运蛋白基因表达增强未必等同于实际外排通量增加。

6. 未来展望与结论（Future Perspectives and Conclusions）

未来研究应整合基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和通量组学，系统解析蔗糖和糖蜜对枯草芽孢杆菌次级代谢的调控机制。通过比较基因组学、多组学分析、同位素示踪和靶向遗传验证，可建立蔗糖代谢与次级代谢产物合成之间的因果关系。对CcpA、CodY、ComA和Spo0A等全局调控因子进行靶向改造，以及工程化NRPS/PKS系统，有望提高目标产物的产量并开发新结构抗菌化合物。同时，将廉价农业工业副产物与先进生物过程工程结合，可提升大规模生产的经济可行性。总体而言，枯草芽孢杆菌是生产高价值抗菌次级代谢产物的多功能微生物平台；蔗糖介导的代谢调控和糖蜜发酵系统为可持续、低成本和可工业化的抗菌物质生产提供了新机遇。