乳酸菌的生物学特性
乳酸菌是能利用碳水化合物代谢主要产乳酸的一类细菌的统称。乳酸菌在自然界分布广泛，种类繁多，与人类生产生活密切相关，具有重要的社会和经济价值。乳酸菌代表了一种典型的微生物代谢类型，是研究细菌代谢及分子遗传的模式生物材料，也是应用于食品工业、农业及医药等的一类重要经济微生物。很多乳酸菌是重要益生菌（probiotic），是安全的食品级微生物，具有抑制病原菌生长、调节肠道微生态、增强机体免疫力等益生功能。
乳酸菌的类群及生理代谢特点
一、
乳酸菌的类群
乳酸菌就细菌分类学而言，属于一个非正统非规范的名称，按其定义它们包括了不同类别的细菌，并非全归入同一分类单位内。按照乳酸菌的形态，乳酸菌大体可分为球菌（图3-1A）和杆菌（图3-1B），其中球菌可分为成串排列的链球菌，两个菌成对存在的双球菌，四个菌成对排列的四球菌等。杆菌可分为长杆菌、中杆菌、短杆菌及“Y”形的双歧杆菌（图3-1C）等。按照2015 年《伯杰氏古菌与细菌系统学手册》，乳酸菌主要集中于细菌界中的厚壁菌门和放线菌门两个门，在厚壁菌门中主要集中于杆菌纲和梭菌纲，在放线菌门中主要集中于放线菌纲，目前乳酸菌共涉及12个纲（图3-2）、42个属、430多个种。乳杆菌属、双歧杆菌属、明串珠菌属、链球菌属和乳球菌属等都是乳酸菌中比较重要的属。
二、
乳酸菌的生理代谢特点
乳酸菌是化能异养型细菌，需要从生存环境中获取碳源、氮源、生长因子等，才能完成其代谢生长和繁殖过程。乳酸菌主要以有机化合物作为碳源，它们可利用的碳源种类较多，利用最好的就是糖类。乳酸菌一般利用单糖的能力优于双糖，利用己糖的能力优于戊糖，很少的乳酸菌可以利用淀粉。乳酸菌代谢糖类一般可通过异型乳酸发酵或同型乳酸发酵来完成，一些低聚糖或葡萄糖可通过磷酸转移酶系统或通透酶系统被运入细胞。不同发酵类型的乳酸菌其糖类代谢途径也不同。乳酸菌同型发酵是指乳酸菌通过糖酵解途径代谢己糖（如葡萄糖），将其全部转化为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下还原为乳酸的过程。这个过程中，理论上所有的己糖都可转化成乳酸，即1mol己糖可净获得2mol乳酸。德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌和卷曲乳杆菌等均属于同型发酵乳酸菌。同型发酵乳酸菌又可分为专性同型发酵和兼性异型发酵乳酸菌两种。专性同型发酵乳酸菌不代谢戊糖或葡萄糖酸盐，而兼性异型发酵乳酸菌可通过磷酸戊糖途径代谢戊糖，生成乳酸和乙酸，有些则在限定葡萄糖时，生成乳酸、乙酸、乙醇和甲酸。乳酸菌异型发酵是指己糖或戊糖通过6-磷酸葡萄糖酸/ 磷酸酮糖途径代谢生成乳酸、乙酸（乙醇）和CO2。理论上，异型发酵乳酸菌消耗1mol葡萄糖产生1mol乳酸、1mol乙醇和1molCO2。明串珠菌、魏斯氏菌和酒球菌等属于异型发酵乳酸菌。乳酸菌在不同环境条件下代谢途径也会发生一定的改变，因此其代谢终产物也会发生变化。
一般乳酸菌的蛋白酶活性较弱，它们获取的氮源主要是蛋白质水解物，如游离的氨基酸和多肽等，因此乳酸菌培养需在培养基中添加富含肽类和氨基酸的氮源，如蛋白胨、酵母膏和牛肉膏等。在乳制品发酵过程中，乳酸菌可通过细胞膜上的丝氨酸蛋白酶将乳品中的酪蛋白水解成小肽运入细胞内，并由各种肽酶降解成游离的氨基酸，以供乳酸菌利用。乳酸菌在生长过程中对营养的需求较多，很多生长因子，如维生素、碱基、脂肪酸、嘌呤和嘧啶及衍生物、矿物质等也需要添加。乳酸菌对维生素的依赖性较强，是部分乳酸菌生长和代谢所必需的生长因子，也有很多乳酸菌需要多种维生素作为生长因子。除了营养因子，乳酸菌在生长过程中还受pH、温度、渗透压和氧气等环境因素的影响。
乳酸菌的基因组特征
2001年，第一株乳酸乳球菌Lactococcus lactis ssp. lactis IL1403全基因组测序工作完成，随后全球12个学术团体发起了乳酸菌基因联盟，在世界范围内掀起了乳酸菌全基因组测序的浪潮，大大促进了乳酸菌基因组学的研究。乳酸菌基因组相对较小，一般为2Mb左右，平均2000个基因。植物乳杆菌的基因组较大，约为3.35Mb。放线菌门的乳酸菌基因组相对较大，有的甚至达4.0Mb以上。不同属的乳酸菌G C 含量差别很大，如乳杆菌属（Lactobacillus）的G C 含量从32.9% 到49.7% 不等，而放线菌门的双歧杆菌基因组G C 含量高，一般在60%以上。乳酸菌更多的遗传特征如表3-1 所示。乳酸菌的基因组与其生长环境及表型密切相关。具体来说乳酸菌的基因组有以下几个特点：
1. 乳酸菌基因组中的基因数目差异较大
不同乳酸菌菌种之间基因数目从1600个到3000个不等，基因数目差异大，表明乳酸菌处于一个动态的进化过程之中，大量的基因发生丢失、重复或者获得新的基因。原因可能是乳酸菌通常生活在多样化的环境中，易变的生存和营养环境促使乳酸菌基因组不断发生变化。很多证据也表明，乳酸菌适应环境变化被两个重要的过程所驱动，一个是基因的退化和功能基因的丢失，另一个就是通过基因横向转移和复制获得新的基因。
2. 乳酸菌基因组中一般都含有假基因
所有的乳酸菌都含有假基因且数目变化很大。如肠膜明串珠菌中含有约20 个假基因，而嗜热链球菌中含有约200个假基因。假基因的存在与差异也说明乳酸菌的基因组处于不断变化之中。
3. 乳酸菌基因组中含有插入序列和转座子
乳酸菌基因组中含有大量的转座子和插入序列（IS）。乳酸菌中的插入序列大多以拷贝的形式存在，可引起分子重排。格氏乳杆菌基因组中的插入序列约占整个基因组的0.2%，而乳酸乳球菌乳脂亚种基因组中的插入序列约占整个基因组的5%。转座子在乳酸菌中也广泛存在，如乳球菌中普遍存在转座子Tn5301和Tn5276，链球菌中含有转座子ICESt1 等。
4. 乳酸菌大多含有质粒
许多乳酸菌中都含有质粒，尤其是乳球菌中，大小从19kb 到130kb 不等。同一菌株中也可能含有多种质粒。乳酸菌很多功能性状与其所含质粒存在相关性，而有些质粒是乳酸菌在特定环境中生长所必需的。乳酸菌质粒的主要功能涉及乳糖发酵、蛋白质水解、细菌素合成、芳香物质产生、噬菌体抗性、金属离子抗性及抗生素抗性等。对乳酸菌进行的功能基因组研究也发现，乳酸菌基因组中大多含有比较重要的功能基因，如糖代谢相关基因，包括糖酵解途径相关基因，磷酸酶转移系统相关基因，乳酸菌耐受及应激相关基因，细菌素生物合成基因，胞外多糖合成基因及细胞黏附相关基因等。
乳酸菌对环境的适应性
乳酸菌在生产和应用中都不可避免地面临着多种环境胁迫。如在发酵过程中，乳酸的大量积累和氧的存在对乳酸菌造成酸胁迫和氧胁迫；在乳酸菌冷冻干燥过程中，极低的环境温度对乳酸菌造成冷胁迫；在人体胃肠道应用过程中，胃酸和胆盐的存在及营养物质的缺乏均会对乳酸菌造成一定程度的胁迫。这些胁迫环境会明显导致乳酸菌生理状况的变化，进而影响其发酵和代谢产物的生成。乳酸菌中存在不同类型的信号感应系统，可以感受外界和体内的环境变化，从而进行应激及适应性反应。相关的信号转导系统一般可分为单组分信号转导系统和双组分信号转导系统两类。单组分信号转导系统蛋白本身具有感受和传导信号功能域，在乳酸菌中，这类胁迫相关蛋白包括膜上感受金属离子的CopY蛋白，感受抗菌肽——杆菌肽的BcrR，感受离子变化的甜菜碱（glycine betaine）ABC 转运子OpuA，机械敏感性离子通道MscL，胞内严谨型反应（饥饿反应）因子RelA，感受高温的CstR 等。双组分信号转导系统包括与细胞膜压力应答相关的BecRS，这个系统的感受系统由ABC转运蛋白BceAB承担。VanRS主要感受万古霉素，并进行信号转导。StkP/PhpP 感受β-内酰胺类抗生素，如青霉素等信号分子（图3-3）。乳酸菌在接收外界环境变化的信号后，即可激活特定的转录因子，从而促进或抑制下游基因表达，以作出相应的反应来适应环境变化。
乳酸菌受胁迫后，其代谢途径也会发生相应变化。研究表明，受胁迫后，乳酸菌中的乙酸生成途径会被诱导，乙酰乳酸（acetolactate）生成会增加，丁二醇循环途径也会被诱导，可产生更多的丁二醇。同时在胁迫条件下，乳酸菌体内的大分子，如蛋白质、DNA 和RNA 可能会发生错误折叠，一些大分子降解和重组修复蛋白会高表达，以对错误大分子进行降解和修复，清除错误大分子，进行正常的细胞活动。
目前对乳酸菌在环境胁迫下的应激反应研究得最多的是酸、胆盐、热、氧化及冷冻胁迫等。研究表明，乳酸菌在环境胁迫下会诱导很多蛋白质的表达，一般可分为三类：①通用应激蛋白，通常可被多种胁迫诱导，参与DNA 或蛋白质修复，如侣伴蛋白（DnaK、GroEL、GroES）或蛋白酶（Clp 蛋白酶等）；②参与代谢的各种蛋白；③胁迫诱导的特定应激蛋白。
乳酸菌在生长过程中可发酵糖类产生乳酸，因此乳酸菌经常处于酸性环境。乳酸菌产生的有机酸在胞外积累，可赋予发酵食品特有的风味，且不利于许多腐败微生物生存。但是酸积累在一定程度上会影响乳酸菌的细胞膜、酶产生及转运系统等，因此会抑制乳酸菌生长。乳酸菌被机体摄入后还会遭遇胃里的酸性环境，由此可见，乳酸菌对酸胁迫的应激能力是其生存所必需的。乳酸菌在酸胁迫下通常通过产生氨，或进行脱羧反应降低酸浓度，对大分子蛋白质和核酸进行保护或修复，或形成生物膜等对酸胁迫进行抗逆反应。
内容摘自：《微生物遗传与分子生物学》
谭华荣 主编
科学出版社赛医学（sci_med）
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