关于细菌细胞通透性改变的机理

秦四哥

格里菲斯细菌转化实验结论表明，肺炎双球菌中死的S型菌能使无荚膜R型菌转化为活的有荚膜S型菌，这是因为S型菌的遗传物质DNA进入到R型菌体内，从而使R型菌具有S型菌的性状。S型菌的DNA是如何进入R型菌细胞内的呢？细胞膜“感受因子”理论解释了细胞通透性的改变以及DNA是如何进入R型菌细胞内并完成转化的。现在改变细菌细胞的通透性在基因工程以及工业生产中已经得到广泛的应用。

1 R型肺炎双球菌的感受态

R型肺炎双球菌（受体菌）在对数期后期约40min内处于“感受态”，此时吸收外源DNA的能力比其他时期大1000倍，其细胞膜表面有30～80个“感受态因子”位点。感受态因子是一种胞外蛋白，可以催化外来DNA片段的吸收或降解细胞表面某种成分使细胞表面的DNA受体显露出来，从而特异性地结合双链DNA。

被加热杀死的S型肺炎双球菌（供体菌）自溶，释放出自身的已经失活的DNA片段，但DNA的双链结构尚存在，分子量小于1×107，约含15个基因，这样的DNA片段被称为“转化因子”。当“转化因子”遇到感受态的R型肺炎双球菌时，就有10个左右这样的双链片段与R型菌细胞膜表面的“感受态因子”位点相结合，位点上进一步发生酶促分解，形成平均分子量为4~5×106的DNA片段，然后双链拆开，其中一条降解，一条单链逐步进入细胞，与受体菌染色体组上的同源区段配对，使受体菌染色体组的相应单链片段被切除并将后者替换，于是形成一个杂种DNA区段（它们间不一定互补，故可呈杂合状态）。

2肺炎双球菌的的转化

随着R型肺炎双球菌的分裂生殖，DNA进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一类似供体菌（S型肺炎双球菌）；另一类似受体菌（R型肺炎双球菌）。

当细胞分裂时，此DNA发生分离，于是就由R型肺炎双球菌产生出了S型肺炎双球菌的后代。这个过程称为原核生物的转化，其实质是基因重组。

3基因工程中诱导感受态细胞的形成

在自然条件下，很多质粒都可通过细菌接合作用转移到新的宿主内，但在人工构建的质粒载体中，由于缺乏此种转移所必需的基因而不能自行完成细胞的接合转移。如要将质粒载体转移进受体细菌，需诱导受体细菌产生一种短暂的感受态以摄取外源DNA。因此在基因工程中，常用CaCl2溶液处理受体菌，Ca2+与细菌外膜磷脂在低温下形成液晶结构，后者经热脉冲发生收缩作用，使细胞膜出现空隙，细菌此时的状态叫做感受态，能使目的基因顺利进入受体菌内。除了CaCl2溶液处理受体菌外，电击法、RbCl（KCl）法也可制备感受态细胞，且转化效率较高，但CaCl2方法简便易行，其转化效率完全可以满足一般实验的要求，因此CaCl2法使用更广泛。制备出的感受态细胞暂时不用时，可加入占总体积15%的无菌甘油于-70℃保存，时间可长达半年。

转化过程所用的受体细胞一般是限制修饰系统缺陷的变异株，即不含限制性内切酶和甲基化酶的突变体（Rˉ，Mˉ），它可以容忍外源DNA分子进入体内并稳定地遗传给后代。进入感受态受体细胞的DNA分子通过复制，实现遗传信息的转移，使受体细胞出现新的遗传性状。将经过转化后的细胞在筛选培养基中培养，即可筛选出转化子（即带有异源DNA分子的受体细胞）。

4细胞壁通透性的控制

由于细菌细胞壁主要成分是肽聚糖，又称黏肽。

细胞壁的机械强度则有赖于肽聚糖的存在。因此在工业生产实践中，常常采取三种措施控制细胞壁的通透性。①限制培养基中的生物素浓度在1～5mg/L，以控制细胞壁中脂质的合成；②在细胞生长期加入青霉素，抑制细胞壁肽聚糖合成中的肽链交联；③加入表面活性剂吐温80或阳离子表面活性剂，将脂类从细胞壁中溶解，从而使细胞壁疏松，增加细胞壁的通透性。例如，工业上利用谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸时就运用上述方法增大细胞壁的通透性，使产生的谷氨酸及时排出，降低胞内谷氨酸的浓度，解除反馈抑制，从而提高产量。

——张敏.关于细菌细胞通透性改变的机理.生物学教学.2011年第12期