右旋氨基酸对生物膜细菌作用的研究进展
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[摘要]生物膜无处不在，绝大多数细菌是附着在有生命或无生命物体的表面，以生物膜方式生长，而非浮游方式生长。组成地球生命体的氨基酸几乎都是左旋的，但随着科学技术的进步和分析方法的发展，人们不断发现各种生物中含有多种天然的游离右旋氨基酸，因此，本文就右旋氨基酸对生物膜细菌细胞外基质的作用、细菌细胞壁的作用和细菌间自身诱导分子的作用等研究进展作一综述。
[关键词]右旋氨基酸；生物膜；作用
[中图分类号]R 780.2[文献标志码]A[doi]10.3969/j.issn.1673-5749.2012.06.033
Research progress on the effect of D-amino acids on biofilmsZhou Han, Zhou Xuedong.（State Key Laboratory of Oral Diseases, Sichuan University, Chengdu 610041, China）
[Abstract]Most of the world’s bacteria exist in robust, sessile communities known as biofilms, ubiquitously predominate in most of the environmental, bacteria predominate, industrial, and medical processes. Even though Lamino acids are the dominant substrates for ribosome-basedprotein synthesis, several roles for D-amino acids in other biological processes have been found. This review summarized the previous researches on the effects that the D-amino acids have on the synthesis of extracellular polymeric substances in biofilms, the bacteria cell walls and signal molecule autoinducer-2 in recent years.
[Key words]D-amino acid；biofilm；effect
!!!!生物膜是指被其自身分泌的黏性胞外基质包裹，共同定植于生物或非生物载体表面高度组织化和系统化的细菌群落[1-3]。生物膜以各种不同的方式存在于自然界、医疗和工业领域中[4]。口腔微生物群落是最常见的生物膜，按照微生物生理学理论，口腔微生物群落是典型的生物膜[5]。
组成地球生命体的氨基酸几乎都是左旋的[6]，人体和生物蛋白质均由左旋（L）-氨基酸组成[7]。自20世纪50年代始，逐渐有人报道一些生物和人体内也有右旋（D）-氨基酸。无脊椎动物和脊椎动物，藻类和种子植物等含有多种游离的右旋-氨基酸，尤其是在诸多菌细胞壁肽聚糖上，存在着大量的右旋丙氨酸和右旋谷氨酸[8-9]。过去认为，右旋氨基酸在细菌中的作用是有限的；现在认为，右旋氨基酸除了调控菌细胞壁的化学性质和物理结构以外，对生物膜的形成也有着重要的作用。右旋氨基酸在部分细菌中不仅可抑制生物膜在载体表面的黏附，还可促进成熟生物膜从载体表面的脱落[10-11]。
1右旋氨基酸对生物膜菌细胞外基质的作用
生物膜形成的分子机制在不同种微生物中存在着较大的差异，甚至在同种微生物的不同菌株之间都不同。生物膜形成的分子机制存在着一些共同的特征，即生物膜都包含将细胞黏结在一起的细胞外基质[12]。细胞外基质通常由多糖聚合物以及其他成分，例如蛋白质、核酸或脂类组成[13]。细胞外基质一方面提供了生物膜黏附的生物力稳定性，一方面提供细胞相互聚集和交流的空间结构[14]。右旋酪氨酸可以抑制生物膜细胞外基质中多糖和蛋白质的产生，可以改变细胞外基质的构象使其薄而疏松，从而影响生物膜的结构稳定 性。Tsuruoka等[15]发现，右旋氨基酸可减少细胞外基质中脂蛋白的合成。由于右旋氨基酸和左旋氨基酸有相似的形状和相对分子质量，所以右旋氨基酸可以整合并替代蛋白质中原来的左旋氨基酸，从而改变蛋白质的结构并影响一些酶的活性[16]。该结果可能是导致生物膜中蛋白质和多糖等细胞外基质合成减少的原因。细胞外基质结构的改变和酶活性扰将使生物膜整体结构塌陷，从黏附的载体表面脱落[17]。
Larsen等[18]在对湖泊和水库以及污水处理厂等多处收集的生物膜样本进行分析后发现，淀粉样物质广泛存在于自然界的生物膜中。淀粉样物质是一种蛋白质，不溶于水，为多条β折叠肽链聚集扭曲而成[19-21]。淀粉样物质既可抵抗化学或温度的变性作用，亦可抗蛋白酶水解[22]。淀粉样物质通常与许多疾病相关，包括老年痴呆症、帕金森综合征和阮病毒病等[23-26]。5%～40%的细菌可产生淀粉样物质[27]，沙门菌属和大肠埃希菌属产生的细胞外淀粉样物质被称为curli菌毛[28]。curli菌毛在细胞外基质的形成、细菌在载体表面的黏附和生物膜的形成中起重要的作用[29-30]。Romero等[31]发现，枯草芽孢杆菌生物膜的细胞外基质中同样含有淀粉样物质。枯草芽孢杆菌生物膜的细胞外基质主要由tasA蛋白和细胞外多糖组成。通过生化分析、特殊染色和显微镜观察纯化的tasA蛋白发现，由tasA蛋白形成的淀粉样物质对枯草芽孢杆菌生物膜结构起稳定作用。
Romero等[31]发现：右旋亮氨酸、右旋蛋氨酸、右旋酪氨酸或右旋色氨酸可防止枯草芽孢杆菌的生物膜形成，可使成熟的生物膜分解；这些氨基酸混合物的作用更为显著，最小抑制浓度大约为10 nmol·L－1。右旋酪氨酸和右旋氨基酸混合物在防止金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌生物膜的形成中同样有效[10]。另外，许多真菌也可产生淀粉样物质[32-33]。在白假丝酵母菌细胞表面，als黏附蛋白存在着形成淀粉样物质的基因序列且序列高度保守[34]，由als黏附蛋白形成的淀粉样物质对生物膜的形成起重要的作用[35]。Kimizuka等[36]发现，粗糙型伴放线嗜血菌也可产生淀粉样物质。
2右旋氨基酸对生物膜菌细胞壁的作用
微生物在载体表面的初期定植对生物膜的形成有重要的作用[37]，而菌细胞壁又是影响初期定植的重要因素之一[38]。菌细胞壁的主要成分为肽聚糖，其骨架是由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通过β-1,4-糖苷键交替相联组成的线状聚糖链。N-乙酰胞壁酸就是在N-乙酰葡萄糖胺的C3位置上联结一个乳酰醚。在N-乙酰胞壁酸的乳酰基上联结着一条由4个氨基酸残基组成的短肽链[39]，短肽链的氨基酸组成因菌种而异，多数细菌短肽链末端的氨基酸为右旋-丙氨酸[9]。肽聚糖既与细胞的形态、生物力强度和抵抗环境的渗透压相关，还为细胞生存所需要的部分蛋白质和酶的结合提供空间[40-41]。Cava等[9]发现，霍乱弧菌产生的右旋亮氨酸和右旋蛋氨酸与枯草芽孢杆菌产生的右旋酪氨酸和右旋苯丙氨酸可通过整合到肽聚糖以及调节酶的活性调节影响肽聚糖的成分、数量和强度。Caparrós等[42]发现，右旋蛋氨酸可通过改变肽聚糖的成分和结构抑制大肠埃希菌的肽聚糖合成。
3右旋氨基酸对生物膜细菌之间自身诱导分子的
作用
生物膜被认为是微生物抵御外界环境的一种保护机制。不同种属微生物相互聚集、相互协作可更好地利用原本难以代谢的营养物质，可为信号分子的交流创造有利条件。信号分子可由微生物群落自身产生，故信号分子又被称为自身诱导分子（autoinducer，AI）。AI在细胞外聚集，其质量分数与微生物的密度相关。当其质量分数增高达到一定阈值时，AI激活信号转导级联反应产生多细胞的响应效应[13]。这一细胞间的交流机制被称为密度感应。密度感应在生物膜中的微生物对
载体表面的定植与黏附起重要的作用[43-44]。呋喃酰硼酸二酯（AI-2）发现于哈氏弧菌产生的生物学发光现象中[45]，是革兰阳性菌和阴性菌共同的密度感应系统，故AI-2是多菌种生物膜中不同种属微生物交流与合作的重要信号分子[46]。研究显示，用右旋酪氨酸处理污水中微生物的生物膜可抑制AI-2的合成和分泌，相对于未加右旋酪氨酸的生物膜，AI-2的产量下降近40%。
4结语
右旋氨基酸可作用于部分微生物的生物膜，抑制生物膜的形成，致成熟的生物膜崩解。研究显示，右旋氨基酸可作用于部分微生物的细胞外基质、细胞壁的肽聚糖、生物膜中的淀粉样物质和细胞的AI-2。由于不同的生物膜的形成机制不同，右旋氨基酸的作用机制也不尽相同；因此，进一步地明确右旋氨基酸是否对所有生物膜都有作用和怎样作用，在以往的基础上将其研究深入至口腔生物膜领域，对研发新型抗生物膜感染药物，降低口腔生物膜的致病性和生物膜对治疗措施的抵抗性有着重要的意义。
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