基因组挖掘揭示枯草芽孢杆菌新型脂肽surfactin-C18的结构特征与卓越表面活性

时间：2025年5月15日

来源：Microbial Cell Factories

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【编辑推荐】为解决传统表面活性剂环境毒性问题，华东理工大学团队通过基因组挖掘技术，从油田分离的枯草芽孢杆菌TD7中鉴定出14个生物合成基因簇（BGCs），并首次分离表征了含18碳脂肪酸链的新型脂肽surfactin-C18。该化合物临界胶束浓度（CMC）低至1.99 μmol/L，表面张力仅28.63 mN/m，性能优于商业表面活性剂，为生物表面活性剂的工业应用提供新选择。

论文解读

在追求绿色化学的时代，微生物源生物表面活性剂因其可降解性和低毒性成为研究热点。其中，枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）产生的脂肽家族（如surfactin、iturin和fengycin）因其两亲性结构和多重生物活性备受关注。然而，现有脂肽的产量和性能仍无法满足工业需求，且大量菌株的生物合成潜力尚未充分挖掘。更棘手的是，传统表面活性剂在极端环境下易失效，而微生物脂肽的结构多样性与其功能的关系尚不明确。

针对这些问题，华东理工大学的研究团队对油田分离的枯草芽孢杆菌TD7展开研究。通过整合基因组学与代谢组学技术，他们不仅系统评估了该菌株的次级代谢潜力，还发现了一种具有超强表面活性的新型脂肽surfactin-C₁₈，相关成果发表于《Microbial Cell Factories》。研究采用全基因组测序结合antiSMASH预测BGCs，通过酸沉淀-乙酯萃取联合制备型高效液相色谱（RP-HPLC）分离脂肽，并运用电喷雾质谱（ESI-MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）及核磁共振（NMR）解析结构，最后通过悬滴法测定表面活性参数。

基因组特征与生物合成潜力
通过Illumina测序获得TD7菌株3.61 Mb的完整基因组，预测到14个BGCs，其中4个与脂肽合成相关（包括surfactin和fengycin）。COG分析显示10.14%基因涉及通用功能调控，8.81%与氨基酸转运代谢相关，暗示其强大的代谢可塑性。

新型脂肽的结构解析
从发酵液中分离的淡黄色组分M1经高分辨质谱鉴定为[M+H]⁺ m/z 1078.73，比已知surfactin-C₁₇多14 Da。通过DHT机制和碎片离子分析，确定其肽环序列为N-Glu-Leu-Leu-Val-Asp-Leu-Leu-C，GC-MS检测到18碳β-羟基脂肪酸特征峰（m/z 429），¹³C NMR证实为直链结构，最终命名为surfactin-C₁₈。

表面活性机制突破
surfactin-C₁₈展现出迄今最优的表面活性：CMC值1.99 μmol/L（较surfactin-C₁₇降低50%），γ_CMC 28.63 mN/m。吸附参数显示其分子占据面积（A_min）仅141.93 ?²，胶束化自由能（ΔG）达-32.52 kJ/mol，表明长链脂肪酸增强了界面排列紧密性。与Triton X-165相比，其降低表面张力的效率提升3倍。

这项研究首次揭示了含18碳脂肪酸链的surfactin变体，其卓越性能归因于疏水链延长带来的分子间作用力增强。该成果不仅拓展了脂肽结构多样性数据库，更通过基因组挖掘策略为定向发现高性能生物表面活性剂提供了范式。未来通过启动子优化（如团队此前将产量从0.62 g/L提升至2.14 g/L）和发酵工艺改进，surfactin-C₁₈有望在石油开采、化妆品等领域替代化学合成品，推动绿色制造发展。