芽孢杆菌源抗肿瘤活性脂肽的分离纯化、结构表征、活性评价与生物合成调控

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芽孢杆菌脂肽(Bacillaceae-derived lipopeptides,BLP)具有抗肿瘤、抗真菌、抗细菌、抗炎、抗病毒和抗血小板等活性。BLP中的伊枯草菌素(iturin)、丰原素(fengycin)、表面活性素(surfactin)等家族都表现出抗肿瘤活性,具有开发为抗肿瘤药物的潜力;但是在进行抗肿瘤相关研究时,所采用的BLP多为混合物。这主要是由于BLP的生产方式为微生物合成,存在产量低、共存组分复杂和分离纯化困难等问题。这些问题同时阻碍了脂肽抗肿瘤研究的开展。筛选高产BLP的菌株、优化分离纯化方法、改进BLP生物合成方式将有效解决上述问题。本研究以红曲酒糟、酸菜、植物根际土壤、畜禽粪便等环境中的芽孢杆菌菌株为出发菌株,以酸沉醇提法提取脂肽,并以LC-ESI-MS法对脂肽的组成进行分析,初筛出11株产生脂肽能力较强(脂肽产量>0.1 mg·m L-1)的菌株;这些菌株产生的脂肽主要是iturin、fengycin和surfactin疑似物。以乳腺癌细胞BT474为靶标,采用MTT法评价了11株初筛菌株胞外脂肽的抑制肿瘤活性。结合脂肽产生能力,从中筛选出高产抗肿瘤活性脂肽的菌株T701,经鉴定,该菌株为贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis);脂肽表达基因分析表明,T701菌株具有产生伊枯草菌素和丰原素的能力。首次发现B.velezensis菌株胞外能分泌有效抑制肿瘤细胞生长的脂肽。为了更有效地制备抗肿瘤脂肽纯品,通过酸沉p H、酸沉时间、离心时间、浸提温度、甲醇加入量和浸提时间的优化,以提高脂肽的得率;然后通过考察样品浓度、进样体积、流动相流速、洗脱梯度对T701菌株胞外脂肽分离结果的影响,优化了制备液相色谱分离制备脂肽的条件。当酸沉p H为2,酸沉14 h,7000×g下离心25 min,甲醇加入量为20 m L·g-1,50℃下浸提120 min时,对应的脂肽得率达到1189.89 mg·L-1。在浓缩脂肽时,采用旋转蒸发法与冻干法相结合,可以有效去除溶剂,从而得到脂肽固体。制备液相色谱分离脂肽的最佳条件为样品浓度125 mg·m L-1,进样体积300μL,流速15 m L·min-1,所用洗脱梯度如下:0~3 min,30%~40%A(A为0.1%TFA乙腈溶液);3~5 min,40%A;5~7 min,40%~60%A;7~9 min,60%A;9~10 min,60%~70%A;10~12 min,70%A;12~17 min,70%~80%A;17~20 min,80%A;20~21 min,80%~100%A;21~30 min,100%A。共收集了15个组分,并以MTT法测定了这些组分对BT474细胞抑制活性。结果表明,抗肿瘤活性最高者为组分A。通过制备色谱法分离纯化后,最终获得了129 mg组分A,其纯度大于99.5%。建立并优化了制备液相色谱系统分离制备组分A的方法,实现了组分A的毫克级制备。随后采用HRMS、MS/MS、~1H-NMR、13C-NMR、DEPT 135°NMR和HSQC-DEPT技术对组分A的分子结构进行了表征;以宫颈癌细胞He La、乳腺癌细胞MCF-7和BT474、人胃癌细胞NCI-N87和MGC 803为受试对象,对组分A的抗肿瘤活性进行了评价。HRMS的结果表明,组分A的[M+Na]+值为1065.5435,分子式为C48H74N12O14。MS/MS的结果表明,组分A的肽序列为Asn-Tyr-Asn-Gln-Pro-Asn-Ser。结合~1H-NMR、13C-NMR、DEPT 135°NMR和HSQC-DEPT的结果,组分A被确定为n-C14iturin A-2。采用MTT法测得iturin A-2对上述5种肿瘤细胞的IC50值分别为(66.8±2.9)、(77.5±3.5)、(95.0±2.0)、(51.7±5.7)和(41.2±4.3)μg m L-1。首次报道了iturin A-2对肿瘤细胞MCF-7、He La、BT474、NCI-N87和MGC 803具有良好的抑制活性。为了满足采用动物试验研究iturin A-2抗肿瘤机制的需求,获得大量的iturin A-2十分必要。为了提高iturin A的产量,特别是iturin A-2在iturin A中的比例为目的,通过调控碳源、氮源、无机盐、发酵温度、发酵时间等因素,获得了T701菌株生物合成iturin A-2的最佳条件。采用组成为蔗糖25 g·L-1、蛋白胨10 g·L-1、氯化钠0.5 g·L-1、硫酸亚铁0.7 g·L-1、磷酸二氢钠0.2 g·L-1、磷酸氢二钠0.4 g·L-1的培养基,当发酵起始p H 7.0,装瓶量100 m L/250 m L,接种量10%,发酵温度35℃,摇床转速180 r/min,发酵96 h时,可获得1317.9 mg·L-1的iturin A,其中iturin A-2为1055.6 mg·L-1。在最佳合成条件下,iturin A-2在iturin A中的比例达到80.1%,这有利于下游的分离纯化。本文开展了芽孢杆菌源抗肿瘤活性脂肽的研究,筛选出高产抗肿瘤活性脂肽的B.velezensis菌株T701,建立了从T701菌株胞外脂肽中分离制备毫克级iturin A-2的方法,首次报道了iturin A-2对5种肿瘤细胞的抑制活性,优化了生物合成iturin A-2的方法,为大量生产和进一步开展iturin A-2的抗肿瘤研究奠定了理论基础。
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