噬菌体是一类专门裂解细菌的病毒，在自然界中种类繁多，分布广泛，是生物界最丰富的物种之一。在早期研究中人们发现噬菌体对细菌具有特异性的高效灭杀作用。如今多重耐药细菌已经成为食品领域不可忽视的问题之一，噬菌体作为新型抑菌剂已被批准应用于食品及原料和相关环境中，但天然噬菌体狭窄的宿主谱及耐噬菌体细菌的产生限制了噬菌体抑菌剂的发展。近年来随着分子生物学的快速发展，通过人工改造获得宽谱噬菌体的方法已经取得突破性进展，噬菌体作为未来新型抗菌剂在食品领域具有不可估量的潜力。

　　鉴于此，渤海大学食品科学与工程学院的李凡、于振兴、张德福*等人对噬菌体受体结合蛋白及其宿主谱扩展的相关研究进行综述，旨在为食品工业领域提供相应参考。

　　目前世界上报道最多并已在食品及医疗等领域投入使用的噬菌体主要是有尾噬菌体目的双链DNA噬菌体，其主要宿主为细菌与古细菌。有尾噬菌体由二十面体的头部、尾部与固定细胞器组成，根据其尾部的长短及伸缩性可分为短尾噬菌体、长尾噬菌体与肌尾噬菌体。有尾噬菌体在感染过程中通常利用尾部对宿主细胞进行吸附并将自身蛋白质与遗传物质注入细菌。

　　有尾噬菌体对宿主菌的感染依赖于尾部的特异性识别功能，过程中起关键作用的结构为附着在噬菌体尾部末端的受体结合蛋白，受体结合蛋白可以与宿主菌细胞表面蛋白质、多糖等特定配体相互作用，帮助噬菌体进行宿主识别、不可逆附着和基因组释放。根据形态结构的不同，受体结合蛋白主要可分为尾丝蛋白（TFPs）和尾刺蛋白（TSPs）两类。TFPs是一种细长的纤维状蛋白，一般不具有酶活性；TSPs长度较短但数量众多，通常对宿主菌表面的多糖等特定结构具有酶活性。一种噬菌体可同明包含多种受体结合蛋白，不同受体结合蛋白的作用对象差异较大，常见结构有细菌表面的外膜蛋白、脂多糖、磷壁酸、荚膜多糖，甚至一些细胞器如鞭毛或纤毛等也可以成为受体结合蛋白的作用对象。

　　作为噬菌体与宿主菌的第一个接触位点，噬菌体的受体结合蛋白是决定其宿主范围的关键因素之一，也是噬菌体与细菌互作机制及噬菌体宿主谱扩展的研究重点。随着X射线晶体学、低温电子显微镜成像等新型技术快速发展并已经广泛运用到分子结构相关研究中，通过与传统的生理生化研究法相结合，人们已经解析构建出多种噬菌体尾部结构的模型，并揭示了许多噬菌体受体结合蛋白的原子结构。

　　噬菌体TFPs呈带状附着在尾板上，主要由起连接支撑作用的臂和一个特异性的末端结构组成。目前报道的大多数TFPs结构具有相似度很高的由含β-螺旋的同源三聚体组成的臂，此结构的形成受到尾丝中包含的C末端分子内伴侣结构域的调控。相似的臂结构表明TFPs末端形状及大小的不同决定了其功能的多样性。如常见的T4噬菌体TFPs末端呈条状（图1），其中由gp37编码的长TFPs参与噬菌体的特异性识别，能够与细菌表面脂多糖和外膜蛋白发生可逆性结合，由gp12编码的短TFPs不具有特异性功能，但能够与细菌表面脂多糖发生不可逆结合以加强吸附；T7噬菌体TFPs末端呈球状，只能特异性识别细菌表面的脂多糖。除形态不同外，一些噬菌体尾丝末端具有额外的独立蛋白结构，包括黏附蛋白、组装蛋白等。

　　与常见的T家族噬菌体TFPs不同，一些噬菌体尾丝的前端臂结构同样具有多样性，且在结合过程中具有一定的铺助功能。如不同种类的铜绿假单胞菌噬菌体尾丝的臂结构间差异较大且差异位点较为集中，差异区域大小与常见的多糖结合位点大小接近。虽然噬菌体短暂的生长周期会使蛋白中出现很多不影响功能性的基因突变并遗传下去，但这些突变应该无规律地出现在蛋白质各区域。

　　TSPs的结构组成与TFPs相似，包含C末端配体结合区域与N末端连接结构域。与柔软的TFPs不同，TSPs的构象更为稳定，结构更加坚硬，在实验研究中更容易处理观察，目前针对TSPs结构的解析相对更加完整清晰。TSPs的配体结合区域由两个及以上的结构域组成，其中至少包含一个具有不同酶活性的结构域，可与细菌表面对应结构结合。如葡萄球菌噬菌体F11的TSPs末端具有螺旋形结构域，能与金葡萄球菌表面的磷壁酸中乙酰氨基葡萄糖结合；克雷伯菌噬菌体PSA的TSPs含有能够降解细菌表面荚膜多糖的结构域；大肠杆菌噬菌体CBA120的TSPs包含一个β-螺旋糖苷酶结构域，能够与大肠杆菌表面的O抗原结合。大多数TSPs会将其反应底物彻底分解为小分子化合物，使得噬菌体能够直接与细胞膜接触。与TFPs不同，不同噬菌体TSPs中所包含的具有相同底物酶活性的结构域相似度极高，配体结合区域成为TSPs中最保守的部分，也是在宿主识别中起关键作用的区域。如噬菌体63D与K1-5整体差异极大，但TSPs中编码内切酶的序列相似度达到了96%。 有研究指出配体结合区域中其余结构域在宿主识别中可能起到铺助吸附的作用，但具体功能尚不明确。

　　TSPs通过N末端结构域与其余TFPs及尾板连接，此结构域组成简单且高度保守，最小可能仅由数个氨基酸构成。与具有酶活性的结构域相同，很多不同种类的噬菌体的连接结构域表现出惊人的相似性，如典型的由T4噬菌体gp10编码的连接结构域已经在多种不同家族的噬菌体中检出。

　　基于TSPs和TFPs结构与功能的相似性，有研究者提出TSPs是噬菌体在和细菌长期的共同进化中针对细菌的保护性措施以TFPs为基础进化而来的。比较可信的推论是噬菌体在感染细菌的过程中，在细菌体内将细菌本身的分解代谢酶整合至受体结合蛋白中，从而获得穿越细胞膜外结构的能力。这种进化具有两面性，一方面，它帮助噬菌体克服了细菌的保护措施，增强了噬菌体对细菌的特异染能力；另一方面，它也在一定程度上限制了噬菌体的宿主谱，目前报道的TSPs通常只能识别一种或几种十分相似 的底物。为了加强与宿主结合作用，一些噬菌体如李斯特菌噬菌体A511及乳球菌噬菌体TP901等在尾部整合了数量巨大的相同的受体结合蛋白，另一些噬菌体则是在尾部构建了多种不同类型的TSPs以扩大宿主范围。

　　除了TFPs与TSPs两种结构外，少数噬菌体如乳球菌噬菌体P936等的蛋白质外壳上还存在一些碳水化合物结合模块（CBMs），包含颈部通道蛋白、主要尾蛋白及末端尾蛋白等。这些外壳蛋白上附着的CBMs同样存在与受体结合蛋白相似的特异性结构域，能够与细菌表面的胞外多糖等结构进行特异性结合，在一定程度上影响噬菌体宿主范围。

　　虽然近年来许多常见噬菌体的受体结合蛋白的结构已经被初步解析，但仍有多种结构域的功能尚不明确，有关受体结合蛋白与细菌结合机制的研究尚处于初级阶段。目前食品原料、养殖、运输等过程中所使用的噬菌体抑菌剂成本相对较高且难以彻底清除细菌，长期使用会使细菌对噬菌体产生抵抗性。对受体结合蛋白结构进行研究有助于人们深入了解噬菌体与细菌相互作用的机制，鉴定噬菌体在食品领域中应用的安全性，降低新型噬菌体抑菌剂的开发成本，对明确作用机制的噬菌体抑菌剂可通过调节环境条件降低细菌对噬菌体抗性的产生并提高杀菌效率。此外受体结合蛋白结构功能的解析可为噬菌体在食源性致病菌的快速检测与基因工程噬菌体方向提供研究基础。

　　自然界中噬菌体野生株宿主范围通常十分狭窄，一株噬菌体只能够裂解一种细菌中的一株或少数菌株。细菌对噬菌体的抗性可能是其本身细胞天然存在的，也可通过长期与噬菌体相互作用之后进化获得。常见食源性致病菌如大肠杆菌、沙门氏菌、副溶血性弧菌、霍乱弧菌等血清型众多，实际应用中单一天然噬菌体难以应对多种细菌并存的复杂环境。

　　如何突破噬菌体宿主范围的限制已经成为目前噬菌体相关研究的重要方向之一，目前常见的方式有4 种：1）通过调整宿主菌种类、数量等方式直接从自然界中分离筛选宽谱噬菌体；2）通过改变培养条件并连续培养诱导噬菌体宿主范围发生改变从而获得宽谱噬菌体；3）通过将多种宿主范围不同的噬菌体组合制作成噬菌体“鸡尾酒”扩大宿主范围；4）利用基因工程定向改造噬菌体扩大其宿主谱。

　　在噬菌体与细菌长期的协同进化中，细菌本身就是一种推动噬菌体进化的重要力量。噬菌体感染过程中将自身遗传物质输入宿主细胞，期间其本身的基因突变及与来自环境和细菌内部的大量外源性遗传物质进行的随机的体内同源重组使噬菌体基因组发生变化，经自然筛选后对自身有益的改变得以保留，其中大部分为噬菌体宿主范围的受体结合蛋白及相关结构的变化。噬菌体这种进化很大程度上受到生长环境与生长模式的调控，因此很多研究者尝试通过创造特殊的生长条件与培养方法诱导扩大目标噬菌体的 宿主谱。目前噬菌体基因层面的研究还处于初级阶段，这种非靶向扩谱方法仍是实验室与工业化快速大量扩展噬菌体宿主谱的主流方案。

　　在各国研究者长明间的努力与尝试中，诱导实验的方法与条件逐渐优化完善，目前已经形成了一些较为成熟的体系。早期的诱导实验方案一般比较简单但耗时较长，如徐焰将大肠杆菌噬菌体XY-1分别与对其不敏感的其余大肠杆菌及金葡萄球菌、沙门氏菌和铜绿假单胞菌等其他种属细菌交叉连续培养，最终成功获得一株对多株大肠杆菌敏感且遗传稳定的噬菌体，最高能够清除养殖环境污水中65%的大肠杆菌。

　　噬菌体“鸡尾酒”的广义概念是指由多种不同噬菌体组成的混合物，这些混合物通常对多株细菌敏感。由于不同噬菌体的结构与感染机制存在差异，“鸡尾酒”中各噬菌体成分能够识别相同或不同细菌的不同受体，自然地拥有了较为广泛的宿主范围。目前常见的致病菌如大肠杆菌、沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌（以下简称单增李斯特菌）及铜绿假单胞菌都已开发出安全可靠的噬菌体“鸡尾酒”产品（表1）。

　　虽然从理论上讲，噬菌体“鸡尾酒”能够很容易在简单组合后裂解多种细菌，但是在实际研发过程中很多因素限制了噬菌体“鸡尾酒”的效果。首先噬菌体之间可能存在“不兼容”的情况。在噬菌体“鸡尾酒”各成分的共感染中不同噬菌体由于感染机制及代谢产物等方面的互相影响会产生协同或拮抗作用，导致其中一些噬菌体感染能力下降甚至死亡。除此之外，在噬菌体作用过程中经常会出现对噬菌体具有抗性的细菌，一般情况下噬菌体也会进化出对抗性菌株具有裂解能力的噬菌体突变株，但在处理形成了生物膜的细菌。

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