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IF:4.6|南京师范大学余静|宋萍副教授团队通过宏基因组学揭示中国白酒发酵过程中潜在的抗菌肽

2026-04-18 15:04:33

食品发酵微生物群产生的抗菌肽（AMPs）在食品保鲜和潜在抗菌剂开发领域具有广阔前景。然而，食品发酵过程中抗菌肽的生物合成潜力仍未完全明确。本研究以中国白酒发酵为模型，提出了一种结合宏基因组学与机器学习的抗菌肽挖掘流程。研究从 18 个发酵样本中，成功获得了涵盖细菌和古菌的 389 个宏基因组组装基因组（MAGs）。通过机器学习模型预测，在 59.38% 的宏基因组组装基因组中，共发现 414 个抗菌肽，其中 290 个为新型抗菌肽。相关性网络分析表明，产生抗菌肽的微生物可能介导了负向微生物相互作用。研究选取 10 个抗菌肽进行实验验证，结果显示其中 8 个抗菌肽对 5 种人类致病菌和 2 种食品腐败微生物具有抗菌活性。其中，抗菌肽 AMP_22 表现出广谱抗菌活性（对所有 7 种测试菌株均有效），且效力较强（最小抑菌浓度 MIC=3.06-200μg/mL）；在浓度低于 25μg/mL 时，对 HepG2 和 A549 细胞系未表现出细胞毒性。以大肠杆菌为模型进一步探究 AMP_22 的抗菌机制发现，AMP_22 处理会对细菌细胞膜造成严重损伤，抑制细胞内蛋白质合成，并导致活性氧（ROS）显著积累。此外，分子对接分析表明，AMP_22 可通过氢键与 DNA 旋转酶和二氢叶酸还原酶结合。本研究证实了食品来源抗菌肽在食品保鲜剂和抗菌剂开发中的应用潜力。

研究背景

发酵食品在全球范围内分布广泛，且拥有悠久的人类食用历史，是不同文化背景下人类日常饮食的重要组成部分，例如奶酪、泡菜、醋以及中国白酒等均通过复杂微生物群的自然发酵制成。在食品发酵过程中，微生物能够合成多种生物活性化合物，这些化合物不仅为发酵食品赋予了有益健康的特性，还在介导微生物相互作用、维持微生物群落稳定性方面发挥关键作用，且长期的人类食用历史已从经验层面验证了这些化合物的安全性，使其成为食品保鲜和抗菌剂开发的潜在候选资源。抗菌肽（AMPs）作为一类典型的生物活性物质，通常由 10-50 个氨基酸残基组成，广泛存在于植物、动物和微生物等各类生物中，其中微生物来源的抗菌肽因具有广谱抗菌活性且不易诱导耐药性，在食品保鲜和抗生素替代品研发中备受关注。然而，目前针对食品发酵中抗菌肽的研究多聚焦于单一微生物菌株的分离鉴定，导致对复杂食品发酵微生物群整体抗菌肽生物合成潜力的认知较为零散；同时，基于培养的传统抗菌肽发现方法存在明显局限性，如大量微生物难以培养或对生长条件要求苛刻、抗菌肽在实验室条件下可能因调控机制复杂而低表达或转录沉默，且该方法流程耗时、通量低，还易重复发现已知化合物，因此亟需开发无需培养的便捷高效抗菌肽发现方法、。中国白酒作为一种酒精含量为 40%-50% 的传统蒸馏酒，通过自然发酵生产，其发酵体系中包含以高粱为主要原料、由小麦或大米制曲接种形成的复杂微生物群落，已有大规模调查显示白酒发酵过程中存在超过 1000 个微生物属，其中霉菌负责淀粉糖化，细菌和酵母菌参与乙醇发酵及多种风味物质合成，这一复杂且功能明确的发酵体系为研究抗菌肽的生态功能及应用潜力提供了理想模型。

图文赏析

图 1（Fig. 1）：389 个宏基因组组装基因组（MAGs）的基因组特征。分别基于 328 个细菌 MAGs 和 61 个古菌 MAGs 构建系统发育树，并手动将两者合并。从外到内，第 1 圈代表 MAG 类型；第 2 圈代表基因组大小；第 3 圈代表基因组的 N50 值；第 4 圈代表门水平的分类学归属。未包含在 11 个优势门中的其他门合并后归为 “其他（Others）”。系统发育树分支颜色区分细菌 MAGs 和古菌 MAGs。（关于图例中颜色的解释，请参考本文的网络版）

图 2（Fig. 2）：白酒发酵微生物群中抗菌肽（AMPs）的生物合成潜力。（A）细菌和古菌 MAGs 中的抗菌肽数量。箱线图中的黑线代表每个门的抗菌肽数量中位数。未包含在 11 个优势门中的其他门合并后归为 “其他（Others）”。（B）细菌和古菌来源抗菌肽的氨基酸频率。（C）桑基图展示抗菌肽的分类学来源（门和科水平）、在不同类型 MAG 中的分布及新颖性。未包含在 11 个优势门中的其他门合并后归为 “其他（Others）”；未包含在 12 个主要抗菌肽产生科中的其他科合并后归为 “其他（Others）”。

图 3（Fig. 3）：产抗菌肽 MAGs 介导的微生物相互作用。基于 MAGs 相对丰度计算的斯皮尔曼相关系数构建负相关网络。绿色圆圈代表含抗菌肽的 MAGs，灰色圆圈代表不含抗菌肽的 MAGs。圆圈大小代表连接数量。柱状图展示 MAGs 的连接数量及其分类学来源（门水平）。未包含在 11 个优势门中的其他门合并后归为 “其他（Others）”。（关于图例中颜色的解释，请参考本文的网络版）

图 4（Fig. 4）：抗菌肽（AMPs）抗菌活性的验证。（A）8 个具有抗菌活性的 AMP 的最小抑菌浓度（MIC）。热图中的数据代表 AMP 对不同致病菌的 MIC 值。（B）8 个具有抗菌活性的 AMP 的三维结构。三维结构周围标注了对应 AMP 的氨基酸序列及分类学来源（域水平）。

图 5（Fig. 5）：8 个具有抗菌活性的抗菌肽（AMPs）的细胞毒性。CK 代表不含 AMP 的阴性对照组。不同字母表示差异具有统计学意义（P<0.05）。

图 6（Fig. 6）：抗菌肽 AMP_22 的抗菌机制。（A）对照组（CK）和 AMP_22 处理组大肠杆菌的扫描电镜（SEM）图像。CK 代表不含 AMP 的阴性对照组。（B）AMP_22 处理后大肠杆菌内活性氧（ROS）的积累情况。（C）SDS-PAGE 电泳显示 AMP_22 处理后大肠杆菌的细胞内蛋白含量。（D）分子对接显示 AMP_22 与 DNA 旋转酶和二氢叶酸还原酶的结合模型。红色虚线代表氨基酸之间的氢键。（关于图例中颜色的解释，请参考本文的网络版）

研究结论

本研究结合宏基因组学与机器学习技术，从中国白酒发酵体系中的已知物种和此前未发现的物种中预测出 290 个新型候选抗菌肽（c_AMPs）。研究发现，产抗菌肽的微生物可介导负向微生物相互作用，表明其在发酵过程中发挥着关键的生态作用。通过实验验证，8 个新型抗菌肽被证实具有抗菌活性，其中 1 个名为 AMP_22 的肽对所有测试菌株均表现出广谱抗菌活性。本研究凸显了食品发酵微生物群中抗菌肽尚未被开发的潜力。未来研究应探索其他发酵食品中抗菌肽的生物合成潜力，并开发高通量方法验证抗菌肽的活性与安全性；同时，需研发规模化生产策略（如化学合成或微生物细胞工厂），这对于推动食品来源抗菌肽作为食品添加剂和抗菌剂的商业化应用至关重要。

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