Bacillus cereus MHI 86 and Bacillus thuringiensis 5-29 both produce the antilisterial bacteriocin thuricin S – analysis of antimicrobial spectrum, stability, and producer strain suitability, including cytotoxicity evaluation

食品安全依赖于在抑制有害细菌与确保用于阻止它们的手段不会引入新危险之间维持一种微妙的平衡。几十年来，科学家们一直在向自然寻求解决方案，将目光投向一类被称为细菌素（bacteriocins）的物质。这些是某些细菌为了对抗竞争对手而制造的微小蛋白质。可以将它们想象成一种天然的防御系统，其中一种微生物产生一种专门设计用于禁用另一种微生物的武器。虽然其中许多物质已广为人知，但由芽孢杆菌（Bacillus）家族细菌产生的物质特别引人关注，因为这些微生物无处不在，从土壤到我们食用的食物中都有分布。然而，要将它们作为一种工具使用，不仅需要找到一种能杀死坏细菌的细菌，研究人员还必须证明生产者本身是安全的，并且它制造的武器足以在食品加工的严苛条件下（如高温和酸度变化）生存。

在最近的一项研究中，研究人员旨在检查两种特定的细菌菌株，一种来自蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）家族，另一种来自亲缘关系较近的苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）家族。这两者最初都是从食品样本中分离出来的，并被怀疑能产生一种被称为 thuricin S 的强效物质。这种物质因其能够针对单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）而闻名，这是一种可以在冷藏食品中存活并导致严重疾病的危险病原体。团队想要了解这两种不同的细菌是否本质上在做同样的事情，它们是如何制造这种武器的，以及它是否足够安全以投入实际应用。他们不仅观察了细菌是否杀死了其他病菌，还深入挖掘了遗传密码，以查看制造该物质的“说明书”是如何编写的，测量了蛋白质的确切大小，并测试了它在面对热量、酸度和消化酶时的稳定性。

调查工作从在营养丰富的液体中培养这两个细菌菌株并观察其随时间变化的过程开始。研究人员发现，当这两种细菌进入快速生长阶段时，它们就开始产生这种抗菌物质，且在八小时后其活性变得清晰可检测。其中一个菌株——蜡状芽孢杆菌 MHI 86 显示出比另一个菌株——苏云金芽孢杆菌 5–29 略强的活性，但两者都非常有效。当科学家们测量阻止李斯特菌生长所需的物质量时，他们发现极小的剂量就已足够。用于抑制病原体的蜡状芽孢杆菌菌株大约需要每毫升 5.73 微克，而苏云金芽孢杆菌菌株则需要大约每毫升 10.77 微克。为了提供一个直观的对比，用于比较的标准抗生素在浓度仅为每毫升 0.20 微克时就已见效，这表明虽然这种细菌素威力强大，但并不像一些传统药物那样强效，不过它提供了一种天然的选择。

为了理解这些细菌是如何建造它们的武器的，研究人员查看了它们的遗传蓝图。他们发现，这两个菌株都携带了一组负责制造 thuricin S 的特定基因。这些基因以重复模式排列，三个指令序列依次排列在一起。这种排列方式在其他相关的细菌中也有所见，表明了一种共同的进化策略来生产这些物质。团队还检查了这些基因何时被激活。他们发现，细菌在生长八小时后始终开始产生细菌素的遗传指令，这与观察到抗菌活性发生的时间相吻合。这证实了细菌是在生长阶段积极制造该物质，而不是仅仅储存它。

接下来，科学家们需要确认该物质的具体形态及其重量。他们从细菌生长的液体中纯化出了该物质，并进行了一系列测试。其中一项通过大小分离蛋白质的测试显示，在约 3.1 kilodaltons（一种用于衡量分子质量的单位）处有一个明显的条带。为了获得更精确的测量，他们使用了一台可以称量单个分子的高科技机器。这项分析显示，主要的活性物质质量为 3137.6 daltons。这个特定的重量与 thuricin S 的已知特征相符，证实了这两种细菌确实在生产同一种类型的武器。他们还发现了第二种稍小的版本，这可能是一个变体或略有不同的形式，但主要的活性成分已被明确识别。

任何食品防腐剂真正的考验在于它能否在现实世界所面临的条件下生存。研究人员使纯化的物质经历了各种压力测试。他们发现，该物质在酸性和中性环境中保持完全活性，在 pH 值低至 3 和高达 7 的环境下都能良好运作。这至关重要，因为许多食品（如发酵肉类和奶酪）是酸性的。他们还测试了其耐热性。即使在加热到 80 摄氏度后，该物质仍保留了超过 89% 的杀灭能力，并且在经过 100 摄氏度沸腾后仍保持了 87% 的活性。然而，如果温度升高到用于灭菌的极端水平（约 121 摄氏度），其活性会显著下降。这表明虽然该物质很坚韧，但并非不可摧毁，因此可能最适合用于那些不经过最高温灭菌处理的食品中。

研究人员还检查了该物质对酶（即人体内和食物中分解其他蛋白质的蛋白质）的反应。当他们使用胰蛋白酶和나蛋白酶（trypsin and chymotrypsin）等在消化过程中常见的酶处理该物质时，它仍保持大部分活性。然而，当他们使用一种名为蛋白酶 K（proteinase K）的强力酶时，该物质被完全破坏了。这一结果证实了该武器确实是一种蛋白质，因为它被专门用来分解蛋白质的酶所破坏，但它又足够强韧，能够抵御在食物或人类肠道中可能遇到的较温和的酶。

或许研究中最关键的部分是确保生产这种武器的细菌是安全的。由于蜡状芽孢杆菌是一种有时会导致食物中毒的物种，研究人员必须确定这些特定菌株不会产生有害毒素。他们测试了细菌是否产生非溶血性肠毒素（一种与腹泻相关的毒素），发现即使在通常会促进毒素产生的条件下，这两个菌株也未产生任何可检测到的毒素。此外，他们还测试了培养在实验室中的人类肠道细胞对该细菌液体的安全性。来自这两个菌株的液体对细胞没有造成任何损伤，而来自已知有毒菌株的液体则造成了显著伤害。这种安全性特征至关重要，这意味着这些细菌可以在保护食品的同时，不会引入新的健康风险。

研究结论认为，蜡状芽孢杆菌 MHI 86 和苏云金芽孢杆菌 5–29 都是生产 thuricin S 的极佳候选者。它们能产生一种强效、稳定且安全的物质，能够有效地针对李斯特菌和其他有害细菌。由于该物质能够承受热量和酸性，它在保护食品方面具有前景，特别是对于那些经过巴氏杀菌但在加工过程中可能受到污染的食品。这项研究清晰地展示了这些细菌如何制造它们的武器、武器如何运作以及为什么它是安全的，为在不完全依赖传统化学防腐剂的情况下保持食品供应安全提供了新的工具。