人工智能引导的Plantaricin LP2150的提取与特性分析：其对腐败沙雷菌（Shewanella putrefaciens）的抑制机制及其对大黄鲷鱼（Larimichthys crocea）的保鲜效果

《Food Control》：AI-guided mining and characterization of Plantaricin LP2150: inhibitory mechanism against Shewanella putrefaciens and preservation of large yellow croaker ( Larimichthys crocea)

人工 intelligence用于筛选乳酸乳球菌MMB-07中的抗菌肽LP2150，证实其通过破坏细胞膜及调控氨基酸、硫代谢等通路抑制腐败希瓦氏菌，并显著延长水产品保质期。

　　

杨杰|傅阳帆|孔双|尚秀成|胡美忠|胡安托|潘赛坤|聂婷|刘亚楠

江苏海洋大学海洋生物资源与环境重点实验室/海洋生物技术重点实验室，中国连云港222005

摘要：

Shewanella putrefaciens是一种能在低温下生长的腐败细菌，会显著缩短水产品的保质期。在本研究中，利用人工智能辅助从Lactiplantibacillus plantarum MMB-07中发现了plantaricin LP2150，该物质对Shewanella putrefaciens的最低抑菌浓度（MIC）为1 μg/mL。实验数据显示，LP2150能够诱导Shewanella putrefaciens细胞释放大分子，包括核酸、蛋白质和碱性磷酸酶。转录组分析显示，LP2150导致Shewanella putrefaciens中107个基因的表达发生差异。LP2150显著抑制了氨基酸代谢、硫代谢和甲烷代谢途径，从而导致能量代谢失衡。此外，LP2150调节的ABC转运蛋白破坏了细胞膜的结构和功能，抑制了Shewanella putrefaciens的生长并引发细胞凋亡。在第8天时，0.02%和0.04% LP2150处理组的总活菌数分别为5.71和5.15 log CFU/g，比对照组减少了1.88-2.44 log CFU/g。LP2150还显著抑制了脂质氧化，实验组的TBA值比对照组降低了29.5-41.6%（对照组为0.682 mg/kg）。这种抑制作用具有剂量依赖性。总之，本研究为利用人工智能从Lactiplantibacillus plantarum中发现抗菌肽及其对抗Shewanella putrefaciens的作用机制提供了新的见解，并为LP2150在食品安全领域的应用提供了参考。

引言

大黄鱼是中国一种具有经济价值的鱼类，其鱼糜产品因其高蛋白含量而备受青睐。然而，在加工和冷链储存过程中，这些产品极易受到Shewanella putrefaciens的污染，这种细菌会引发蛋白质降解和生物胺积累，从而导致品质下降（Elsharawy等，2022；Olatunde等，2018）。作为水产品中的主要腐败菌，Shewanella putrefaciens能够代谢腐胺、尸胺和H₂S（Yi等，2022；Heising等，2014），甚至在低温条件下也能形成生物膜。此外，Shewanella putrefaciens产生的胞外蛋白酶会降解冷藏海鲜中的蛋白质，生成小分子氨基酸和寡肽，这可能缩短保质期并对消费者健康构成风险（Yang等，2019；Müller等，2023）。近年来，人们采用了多种化学和物理方法来抑制Shewanella putrefaciens的生长，但这些方法存在成本高、潜在健康风险以及抗性产生等缺点（Wu等，2023）。因此，开发天然、高效且安全的抗菌肽作为传统防腐剂的替代品变得尤为重要。

Lactiplantibacillus plantarum（L. plantarum）是分布最广的Lactiplantibacillus物种，通常被认为是安全的（GRAS，Gor等，2020）。Plantaricin是一种在L. plantarum代谢过程中产生的天然抗菌肽，对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌均具有抗菌活性。与传统防腐剂相比，plantaricin更安全，不易产生抗性，不会在食品中留下残留物，并在食品、饲料等领域具有广泛的应用前景（Gupta等，2022；Quinto等，2019）。尽管基因组数据中含有丰富的抗菌资源，但传统的筛选方法存在技术瓶颈，依赖活性引导的分离、HPLC分析和质谱鉴定通常需要繁琐的“试错”过程。这些高成本、低通量的方法难以快速准确地从大量基因组序列中识别高效生物活性肽。为克服这些效率限制，人工智能（AI）算法在抗菌肽（AMPs）的筛选中发挥了关键作用（Huang等，2023；Ma等，2022）。通过利用机器学习和深度学习模型，研究人员可以直接从大规模氨基酸序列中提取特征（Teimouri等，2023），从而绕过传统实验的局限，显著提高研发效率并降低成本（Lee等，2017；Boone等，2021）。Wang等人（Wang等，2021）通过构建LSTM（长短期记忆）生成模型和双向LSTM分类模型，设计了一种具有潜在抗E. coli活性的短序列抗菌肽。

本研究旨在利用人工智能算法对L. plantarum MMB-07基因序列进行计算筛选，验证了plantaricin LP2150的抗菌效果和作用机制，以及其在保护大黄鱼鱼糜方面的应用效果。这些发现为食品防腐剂和抗生素替代品的研发和应用提供了理论基础，同时也为天然抗菌物质在水产品保鲜中的使用提供了科学支持。

材料

Shewanella putrefaciens菌株CN32来源于江苏师范大学（Liu等，2022）。将Shewanella putrefaciens接种到胰蛋白酶大豆肉汤中，培养温度为30°C，摇床转速为150 r/min。培养45小时后，进行两次传代，实验使用对数生长阶段。

LP2150抗菌肽的发现

从L. plantarum MMB-07基因组（GenBank登录号：MN700261）中通过人工智能检索到共45,385个多肽基因序列

利用人工智能从L. plantarum MMB-07基因组中挖掘抗菌肽

如图1所示，我们开发了一种基于人工智能的抗菌肽发现策略。首先，我们应用MiPepid逻辑回归模型和4-mer特征来识别Lactiplantibacillus plantarum基因组中的sORFs。为了筛选潜在的抗菌肽，我们使用信号肽预测方法过滤出302个分泌肽，并移除了与信号肽相关的部分。

结论

总结来说，本文利用人工智能鉴定了Lactiplantibacillus plantarum中的抗菌肽LP2150。生化实验表明，LP2150破坏了细胞膜和细胞壁的完整性，增强了膜的通透性，导致核酸、蛋白质等大分子的泄漏。转录组分析显示，LP2150影响了Shewanella putrefaciens的能量代谢，特别是下调了氨基酸、硫和甲烷代谢相关的关键基因。

CRediT作者贡献声明

刘亚楠：研究、资金获取、数据分析、概念化。尚秀成：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、监督、软件使用、资源提供。孔双：可视化、验证、资源提供、项目管理、方法学研究、数据分析。傅阳帆：监督、软件使用、资源提供、项目管理、方法学研究、资金获取、数据分析。杨杰：撰写——

未引用的参考文献

Chollet, 2020; Gupta and Sharma, 2022; Novak Babi? and Gunde-Cimerman, 2021; Olatunde and Benjakul, 2018; Saito, 2004; Wang, 2012; Wang et al., 2024; Wang and Xie, 2021; Yi and Xie, 2022; Zhang et al., 2017; Zhu and Gribskov, 2019.

利益冲突

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性声明

数据包含在文章中。

人工智能声明

在准备本工作时，作者使用了包括MiPepid、SignalP 4.1、TMHMM V.2、HeliQuest和PepVAE在内的预测和生成型人工智能工具，从L. plantarum MMB-07基因组中识别、筛选和预测潜在的抗菌肽序列。作者进行了实验验证（固相合成和抗菌活性评估）以确认这些算法的结果。作者对

利益冲突声明

我们声明与任何个人或组织没有可能影响本研究工作的财务或个人关系，对任何产品、服务及/或公司的专业或其他个人利益没有影响，这些利益不会影响本文的观点或手稿的评审。

致谢

作者感谢连云港市科技计划（基础研究）（项目编号JCYJ2324）、江苏海洋资源开发技术创新中心开放基金（编号LWJJ-02、LWJJ-04、LWKJ-13）、江苏大学“青兰项目”、江苏海洋生物资源与环境重点实验室开放基金（编号SH20231207）、上海交通大学医学工程交叉基金（编号YG2025QNB48）提供的资金支持。