生物表面活性劑是生物(主要是微生物)生成的低分子量表面活性劑,包括糖脂､多糖脂､脂肽､脂蛋白以及中性類脂衍生物等。它們的分子結構由兩部分組成,一部分是疏油親水的極性基團,如單糖､聚糖､氨基酸､肽和磷酸基等,另一部分是由疏水親油的碳氫鏈組成的非極性基團,如飽和或非飽和的脂肪醇及脂肪酸等。正是由于具有這種既親油又親水的兩親性分子結構,生物表面活性劑才能具有分散､加溶､潤濕､滲透等性能,但它們的生理功能還不是很清楚。

雖然大多數的生物表面活性劑被看作是次級代謝產物,但它們對微生物的生長卻具有重要作用。例如,烴類的難溶性使得攝取烴類的微生物在生長過程中往往伴隨著生物表面活性劑的生成,它們的作用主要是使烴類在水溶液中有效擴散,并滲入細胞內部被同化分解。另一方面,生物表面活性劑可以通過調節細胞表面的疏水性能來影響微生物細胞與烴類之間的親和力。除此之外,很多生物表面活性劑具有殺菌活性,并在細菌滑動穿越界面的活動中以及適應惡劣環境的代謝過程中發揮特殊作用。幾乎所有這些生物功能均與它們的兩親性分子特征相關。

1 促進難溶底物的分散與吸收

烴降解酶往往嵌入于細胞質膜中或存在于細胞內,烴類底物必須通過外層親水細胞壁進入細胞內,才能被烴降解酶作用。因此,烴的疏水性是限制烴被攝取的主要因素,而生物表面活性劑的作用正是促使烴被動擴散進入細胞內部。

生物表面活性劑促進烴吸收的作用在許多實驗中均得到證實。例如, 1,500mg/L的十八烷烴在300mg/L鼠李糖脂的作用下,擴散濃度提高了4個數量級,使20%的十八烷烴在84h內被P.areuginosa降解,而在沒有鼠李糖脂存在的情況下,僅有5%的十八烷烴被利用。另外,P. areuginosa的一株缺陷型菌株無法利用石蠟進行生長,合成的鼠李糖脂明顯較少,但加入少量鼠李糖脂可以修復它利用石蠟的能力。

實驗發現,低濃度的鼠李糖脂促進十八烷烴擴散的能力明顯優于高濃度的鼠李糖脂。研究鼠李糖脂濃度與十六烷烴生物降解速率的關系曲線,結果在1～50mg/L范圍內與50～500mg/L范圍內,呈現出兩種不同的線性關系,在較低的濃度范圍內,十八烷烴可以被更快地利用。分析認為,生物表面活性劑可以通過兩種途徑來提高有機物的生物可利用率。一種途徑在較低濃度下,顯著降低界面張力,使烷烴得以有效擴散,增大油/水界面面積,從而便于細胞與較大油滴之間的直接接觸。另一種途徑是利用表面活性劑的增溶作用,即當活性劑濃度大于臨界膠束濃度(CMC)時,自由單體濃度不再增加,而是形成膠團,將有機物分子加溶在膠團中,然后被細胞吸收并降解。表面活性劑的濃度進一步增加時,溶液的表面張力幾乎不再下降,而溶液中的膠團數目和尺寸卻隨之增加。表面活性劑的濃度越大,膠團形成得越多,難溶物也就溶解得越多。另外,微生物在烴類培養基中生長時,細胞結構明顯不同:胞內發生烷烴的累積,在它們的外面有一層特殊的膜狀復合物;細胞的外表面變得不規整,出現褶皺。根據以上事實推測,在生物表面活性劑的作用下,細胞壁的外表面出現一種特殊的吸收系統,將加溶了難溶底物的膠團直接運至與膜結合的酶系統或運入細胞內部。

生物表面活性劑膠團加溶難溶有機物的現象十分復雜,在不同條件下可以形成多種膠團結構,膠團的大小與形狀主要取決于表面活性劑的分子結構與濃度。疏水基碳原子數的增加將導致表面活性劑的親油性增加,在水溶液中的膠團尺寸相應增加,CMC也下降。在活性劑濃度剛剛超過CMC時,膠團大多呈球狀,極性基處在膠團外殼與水直接接觸;當活性劑在溶液中的濃度為10倍于CMC或更高時,從能量角度來講形成球狀是不利的,這時棒狀膠團具有更高的熱力學穩定性;當活性劑的濃度更高時,就會形成巨大的層狀膠團。另一方面,活性劑分子中親水頭部與疏水尾部的相對大小決定了膠團的形狀。頭部較大者易形成球狀,頭部較小､尾部較短者易形成棒狀,而具有較長尾部的活性劑往往形成膠囊狀膠團。

除了表面活性劑本身的性質與濃度之外,溫度､無機鹽､離子強度以及pH等均可以對CMC和膠團性質產生影響,進而影響烴類的分散及生物降解。例如,pH通過影響溶液中表面活性劑的聚集形式來影響烴類的擴散。在pH7.0,烷烴被插入膠團粒子中,烷烴的擴散最充分;在pH7.0～6.0,表面活性劑形成層狀膠團,烷烴的擴散程度急劇下降;在pH6.0～5.5,表面活性劑形成膠囊狀膠團,烷烴的擴散程度再次提高。

微生物在生長過程中,往往生成多種結構型式的表面活性劑,這可能是微生物適應環境能力的表現。由于環境對膠團的性質會產生影響,微生物便通過調節多種活性劑的組成分布,來保證烷烴得到最大程度的分散。如鼠李糖脂具有脂肪酸型和甲酯型兩種存在形式:脂肪酸型的疏水端含有羰基基團,它攜帶的一個負電荷增強了鼠李糖脂和水的作用,減弱了和烷烴的作用,因此其水溶性很好,但在降低界面張力方面不是很有效;相反,甲酯型的疏水端多一個碳原子,形成膠團的尺寸較大,具有較低的CMC,可以產生更低的表面和界面張力。這樣微生物就可以通過調節脂肪酸型和甲酯型兩種形式鼠李糖脂的濃度,兼顧水溶性和親油性兩個矛盾,最大程度地適應各種不同環境。

2 調節細胞表面與難溶底物之間的親和力

一些菌種合成的生物表面活性劑對其它菌種在烴類培養基中的生長沒有影響甚至產生抑制作用;烷烴的生物降解不僅取決于生物表面活性劑的性質與用量,還與細胞的性質和濃度密切有關;理想的分散狀況并不總是對應著較高的生物降解速率。這些說明生物表面活性劑在微生物攝取烴類的過程中,不僅僅具有分散烴類的能力,還應該從細胞､生物表面活性劑､烴三個方面來分析。

油滴與細胞的直接接觸常常是主要的烴吸收機制,而細胞表面的疏水性是決定細胞與烴類液滴接觸的關鍵性質。烷烴的快速降解者具有較高的細胞疏水性,對烴類具有更高的親和性,可以更加有效地利用烴類。而生物表面活性劑可以提高慢速降解者的細胞疏水性,并直接影響生物降解速率。

生物表面活性劑分子可以利用它們的親水基或疏水基錨定于微生物細胞表面,將另一端暴露在外面,形成控制細胞表面疏水性或親水性的調節膜。微生物也可以分泌生物表面活性劑于外部介質中,通過改變吸附界面的特性來調節細胞與界面之間的親和力。如將疏水界面轉換為親水性質,使其只能與親水細胞發生相互作用。吸附于界面上的微生物能夠通過釋放細胞表面的全部或部分表面活性劑來實現脫附,這些表面活性劑將被留在界面上或介質中。

3 其它生理功能

生物表面活性劑并不一定要在難溶性烷烴誘導作用下才能合成。例如: Bacillus subtilis只能利用水溶性基質產生生物表面活性劑;而T.apicola產生的糖脂沒有刺激菌種在烴類基質中生長的能力;不能利用十六烷烴生長的缺陷型菌株,當在葡萄糖培養基中生長時,卻可以產生兩倍數量的鼠李糖脂,而乳化作用在這一培養過程中顯然是不必要的。這些現象意味著生物表面活性劑除了可以促進難溶底物的攝取,還有其它生理功能。

生物表面活性劑往往具有抗菌活性。如Itoh實驗室分離得到的鼠李糖脂具有一定的抗菌､抗病毒和抗枝原體的性能。這可能仍與它們的兩親性分子特征直接相關。即利用生物表面活性劑溶解異源細胞膜的主要成分來實現殺菌功能,或者通過改變環境的界面性質,使環境更有利于自身的生存。

生物表面活性劑的過量合成往往需要培養基中含有大量的碳源,以及一些限制性條件,如限制性氮源､限制性Mg²⁺等。從代謝的角度分析,培養基中碳比氮多時,細胞生長將持續到氮源耗盡。當細胞不再生長,需氮的生物合成反應亦不再進行時,碳仍可運入細胞,在細胞中經糖解或烴氧化,發生脂肪酸的累積。但當胞內脂肪酸濃度大于某一極限量時,細胞就不再能忍受其毒性。因此,脂肪酸與糖苷､氨基酸､磷酸基等結合,從而生成了各種生物表面活性劑。也就是說,生物表面活性劑是微生物調節自身代謝過程的一種產物。

以石蠟等烴類作為發酵基質的微生物在限制性生長條件下和代謝轉換過程中,生物表面活性劑常常作為碳源和能量的儲備物質發生累積,當細胞處于極度饑餓狀態時,它們又會被氧化分解。這類物質包括海藻糖脂､脂肽､脂肪酸等。而且微生物不能利用鼠李糖脂進行生長,但是它在生長后期也會發生降解,具體原因還不清楚。

另一方面,生物表面活性劑對微生物的生長并不總是有利的。在中性環境中,低濃度的陰離子型表面活性劑與烴結合形成的復合物帶有負電,它與帶負電的細胞壁產生靜電排斥,從而強烈抑制細胞與烴的親和,反而抑制了細菌的生長。另外,細胞與生物表面活性劑分子長期接觸,不僅會對膜結構造成一定的破壞,還將引起膜活性的改變,干擾正常的攝取同化機制。

借助于代謝工程和基因工程的相關知識,確定具體的生物合成路徑將有助于了解生物表面活性劑的生理功能。生物表面活性劑中脂肪酸部分的合成單體或者是乙酰CoA或者是烴的氧化中間體,乙酰CoA是關鍵的合成中間體。在研究鼠李糖脂合成的相關基因時,利用分子克隆及核苷酸序列分析技術,首先選育出鼠李糖脂合成的缺陷型菌株,分離得到鼠李糖脂生物合成的相關基因,然后將其與野生型菌株的基因實行基因互補。分析發現,當鼠李糖脂的合成單體(TDP-鼠李糖和相應的脂肪酸)在細胞內已經存在時,鼠李糖脂的最終合成將被鼠李糖苷轉移酶所催化。這類酶共有兩種,負責催化四種鼠李糖脂的生成。而鼠李糖苷轉移酶由rhlAB基因編碼,與rhlAB基因位于同一個操縱子上的rhlR基因和rhlI基因順序排列,負責調控rhlAB基因的表達。rhlR調控蛋白的活性受細胞密度以及由rhlI蛋白形成的一種自誘導劑的影響。rhlI基因缺陷的變異菌株不能合成鼠李糖脂。目前,關于生物表面活性劑合成的分子生物學研究只是處于初期階段,進一步的遺傳學和酶學研究將有助于詳細了解它們生物合成的調控機理,從而最終確定它們的生理功能。