噬菌体裂解酶的裂解机制

噬菌体裂解酶是噬菌体编码的一种肽聚糖水解酶，能够高效、特异的杀灭细菌且具有抗生物被膜活性，已经成为一种新型抗菌药物，逐渐被纳入细菌尤其是耐药菌感染的治疗策略。

1.  噬菌体的裂解机制

噬菌体裂解酶种类繁多，大多数革兰氏阳性菌噬菌体裂解酶在结构上存在“双结构域”的特点，主要由催化结构域和结合结构域2个部分组成(图 1A)。一般来说，N端为催化结构域(Catalytic Domain，CD)，可特异性地切断肽聚糖中的化学键，大多数裂解酶只包含一个催化结构域，少数含有多个催化结构域。根据切割肽聚糖的化学键类型，可将裂解酶分为6大类 (图 1B)：(1) N-乙酰基酰胺酶；(2) N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶；(3) MurNAc-L-丙氨酸酰胺酶；(4)内肽酶；(5) 肽酶；(6) 转糖苷酶。裂解酶的C端为细胞壁结合结构域(Cell Wall Binding Domain，CBD)，可特异性地结合肽聚糖上相应的配体。在解析的CBD结构中，它们大多为单体结构，少数为多聚体结构，所在的位置和方向并不保守，大部分位于裂解酶的C端，少数位于N端。由于革兰氏阳性菌没有外膜(Outer Membrane，OM)包被，这使得革兰氏阳性菌噬菌体裂解酶在没有穿孔素(Holin)的协助下，可以从外部裂解细菌的细胞壁。相比之下，大多数革兰氏阴性菌噬菌体裂解酶只有一个CD，没有CBD，而且由于外膜的存在，革兰氏阴性菌噬菌体裂解酶无法从外部进入肽聚糖层发挥裂解作用，这可能解释了为什么大部分革兰氏阴性菌噬菌体裂解酶是小的单结构域的球状蛋白(分子量在15−20 kD之间)。与革兰氏阳性菌噬菌体裂解酶相比，这类裂解酶可能会更好地发挥酶的催化作用(辅助细胞裂解过程中的多个催化反应)。但也有一些特殊情况，如来自绿脓杆菌噬菌体的裂解酶KZ144和EL188就含有CD和CBD这2种结构域。裂解酶的活性和结构特点显示了其良好的抗菌作用，也使其在成为新型抗菌药物方面拥有广阔的前景。

图 1 裂解酶结构以及对细菌细胞壁肽聚糖的作用位点

　　2. 噬菌体裂解酶在食品方面的应用

　　裂解酶凭借着对病原菌的高效裂解性以及宿主专一性，使其在增强食品安全性中也有着巨大的潜力。研究表明李斯特菌噬菌体裂解酶HPL118、HPL500和HPLP35在蔬菜、牛奶及其他奶制品中表现出高效的抑菌活性，而且这3种裂解酶对高温不敏感，能够在较高的温度下发挥裂解活性，利用这种特性可以将它们制作成食品添加剂提高食品安全性。裂解酶的CBD能够特异的结合细菌细胞壁。Kretzer等用裂解酶的CBD来取代抗体，通过包覆有重组李斯特菌噬菌体裂解酶衍生的CBD分子的顺磁珠，在40 min内可以固定并回收超过90%的李斯特菌，而且不受其他微生物存在的影响;相对传统的检测回收方法，其能缩短一半的时间，并且更为灵敏、通用性更高。目前，在此方法的基础上，Yi等开发了一种基于裂解酶CBD的磁性分离和荧光检测技术，用于对真实样品中的金黄色葡萄球菌进行特异性检测和灵敏定量分析，并且通过功能化的磁珠，可将金黄色葡萄球菌样品基质分离处理;检测范围从1.0×102 CFU/mL到1.0×107 CFU/mL不等，最低至78 CFU/mL，整个检测过程在不到50 min的时间内完成;除了普通表皮的葡萄球菌外，其他与普通食源性和医院感染性细菌对金黄色葡萄球菌的检测影响均可忽略不计;此外，该方法在实际应用中的潜力已经通过无菌牛奶和人体血清的检测得以证明。

　　展望

　　裂解酶作为一种新型的抗菌药剂，愈来愈多经原核表达方法纯化的裂解酶被用于治疗细菌性疾病，尤其是对于常规方法或传统方法难以防控的耐药菌，研发其高效的噬菌体裂解酶更有重要的理论与现实意义。裂解酶对宿主细菌作用迅速，通过基因工程技术可以产生大量的酶，比噬菌体有更宽的裂解谱，具有更广的应用前景。通过对裂解酶进行设计、改造与修饰等基因工程技术可解决裂解酶存在的某些不足。连接不同裂解酶的结合域与催化域，产生嵌合体裂解酶，该类裂解酶不仅有较广的裂解谱，很高的灭菌活性，还能在不同pH环境中杀灭病原菌。此外，裂解酶还可和乙二胺四乙酸、柠檬酸和抗生素等联合作用。上述方法不但拓宽了其裂解谱，而且提高了其裂解活性，使之成为解决耐药性难题的有效途径。