抗菌肽在畜牧業的應用前景

上海邦成

抗菌肽又稱抗微生物肽（antimicrobial peptide）或肽抗生素（peptide antibiotics），在動植物體內分布廣泛，是天然免疫防御系統的一部分。抗菌肽不僅有廣譜抗細菌能力，而且對真菌、 病毒及癌細胞也有作用。
　　近年來，由于藥物的濫用，藥物殘留和細菌耐藥性等問題日漸嚴重，從而引發了人們對食品和環境的關注，越來越多的國家開始呼吁禁用抗生素，而抗菌肽因其獨特的生物活性以及不同于傳統抗生素的特殊作用機理，已引起人們極大的研究興趣，成為分子生物學和生物化學研究領域的熱點之一。
    1 抗菌肽的結構和特性
　　天然抗菌肽通常是由30多個氨基酸殘基組成的堿性小分子多肽，水溶性好，分子量大約為4kDa。大部分抗菌肽具有熱穩定性，在100℃下加熱10～15min仍能保持其活性。多數抗菌肽的等電點大于7，表現出較強的陽離子特征。氨基酸N端富含賴氨酸和精氨酸等陽離子型氨基酸， 其C端富含丙氨酸、纈氨酸、甘氨酸等非極性氨基酸。在許多特定位置都有一些較保守的氨基酸殘基，這些高度保守的氨基酸殘基是一些抗菌肽分子具有抗菌活性所不可缺少的，另外一些天然抗菌肽的C端往往是酰胺化的，這與抗菌肽的廣譜抗菌活性有關。抗菌肽在一定條件下形成α-螺旋和β-折疊結構。
  
    抗菌肽α-螺旋和β-折疊結構模式圖
    2 抗菌肽的抗菌機理和特點
　　2.1 抗菌肽的作用機理
　　研究表明，抗菌肽分子通過膜內分子間的位移而相互聚集在一起，從而在膜上形成離子通道，使膜蛋白凝集，使細菌因不能保持正常的滲透壓而死亡。也有人提出是通過影響細胞膜上的能量轉運和代謝，從而損傷細胞呼吸鏈的功能而殺死細菌。抗菌肽還可以斷裂癌細胞的核DNA，通過抑制DNA的合成而殺死癌細胞。總而言之，抗菌肽作用機理的關鍵在于通過物理方式和細胞膜發生作用，不同類別的抗菌肽其作用機理可能不同。
　　2.2 抗菌肽作用機理的特點
　　作用部位的有效性
　　傳統抗生素作用是通過消除微生物生長或生存必需的功能實現的，如阻撓細菌蛋白質的合成或者改變酶的活性來達到殺菌目的，而細菌通過改變一種基因就足以對付抗生素的這種進攻。抗菌肽則作用于細菌細胞膜，導致膜的通透性增大，以此穿透、殺滅細菌。細菌必須改變膜的結構，即改變相當部分的基因才能防御抗菌肽的進攻，而這幾乎是不可能的。因此，抗菌肽極大地減少了產生耐藥性的可能。
　　作用對象的選擇性
　　抗菌肽只對原核生物細胞和真核生物病變細胞有抗菌作用，對正常的真核生物細胞不起作用。原因在于原核生物和正常真核生物的細胞膜結構不同，正常真核細胞膜中含有大量的膽固醇，而膽固醇的存在使膜結構趨于穩定。此外高等動物存在高度發達的細胞骨架系統，其存在也抵抗了抗菌肽的作用。癌細胞的細胞骨架系統與正常細胞相比不發達，這是抗菌肽對其產生抑制作用的原因之一。
    3 抗菌肽的生物學特性
　　3.1 廣譜抗微生物
　　當前畜禽疾病多為混合感染，傳統的抗生素抗菌譜一般都較窄，且只對細菌有效。而大多數抗菌肽對革蘭氏陰陽性菌均有效，有些還對真菌、病毒、寄生蟲、原生動物有抑制或殺滅作用。實驗證明抗菌肽可以殺死草履蟲、變形蟲、四膜蟲。柞蠶抗菌肽D對陰道毛滴蟲有殺傷作用。
　　很多研究表明，某些類型的抗菌肽有抗DNA、RNA病毒的作用。Melittins（蜂毒素）和Cecropins在亞毒性濃度下通過阻遏基因表達來抑制HIV-1病毒的增殖。Magainin-2及合成肽Modelin-1 和Moderln－5對皰疹病毒HSV－1和HSV－2有一定的抑制效果。Wachinger M等報道天蠶素能抑制艾滋病病毒。華南農業大學研制的蠶抗菌肽AD對鴨乙型肝炎DNA增殖有抑制作用。
　　3.2 作用快速、安全、無殘留
　　由于分子較小，在機體受到侵犯時，幾分鐘內就能產生，且擴展擴散速度比體內免疫細胞更快更靈活。抗菌肽獨特的抗菌機理更形成了不耐藥的特性，這就超越了抗生素的局限，是新一代的高效抗菌劑。動物食品安全有賴于生產過程的各個環節，使用無污染、在動物體內無殘留、無毒副作用的添加劑是解決問題的一個關鍵。抗菌肽是動物體成分之一，參與生命過程，是小分子短肽，具有安全無毒副作用的生物學特性。
　　3.3 刺激免疫反應
　　抗菌肽可參與宿主天然免疫的其它反應，比如刺激單核細胞和嗜中性白細胞的趨化作用、促進肥大細胞組織胺的釋放、抑制組織蛋白酶以及促進創傷愈合。
　　3.4 與其它抗菌物質的聯合作用
　　研究發現，抗菌肽與傳統抗生素聯用，可提高藥效并拓寬傳統抗生素的抗菌譜。與溶菌酶也有協同作用。至今未見有關抗菌肽與其它藥物相拮抗的報道，這就顯示出抗菌肽比微生態制劑等綠色添加劑更有優勢。
　　3.5 對環境有較強的抗性，適合做添加劑
　　抗菌肽在100℃加熱10min條件下仍能保持活力，對pH值有較強適應性、水溶性好。部分抗菌肽尚具備抵抗胰蛋白酶或胃蛋白酶水解的能力，進入動物消化道，能很好地發揮抗菌功效。這彌補了其它添加劑如酶制劑、微生態制劑等易受影響的缺陷，更便于在生產中應用。

    4 抗菌肽的應用研究
　　4.1 抗菌肽的生產
　　現在研究得最多的是昆蟲類抗菌肽。雖然可從機體內提取，但含量極微，給其應用帶來了極大的困難。至今研究應用的抗菌肽，均是從免疫蠶蛹中提取的，而柞蠶蛹免疫血清中抗菌肽的含量很低，提取價格昂貴。為了能降低抗菌肽的生產成本，進行大規模工業化生產，現已人工設計合成了抗菌肽D、BD及AD基因，并且成功地將其導入釀酒酵母及畢赤酵母中進行表達。因為抗菌肽對細菌具有很強的殺傷作用，不易在原核系統中直接表達，必須通過酵母來表達。在酵母中獲得表達的有：蛙皮素（陳海旭等，2002）、抗菌肽AD（黃亞東等，2002）、抗菌肽Apila （韓萬江等，1998）、抗菌肽ABP3（沈俊清等，1999）。
　　4.2 在畜牧業上的應用
　　溫劉發等應用華南農業大學已開發的抗菌肽添加于斷奶仔豬料中，飼喂試驗結果表明，蠶抗菌肽可減輕斷奶仔豬的腹瀉。陳曉生等報告在飼糧中添加抗菌肽對肉鴨有促生長作用。另有報道，柞蠶抗菌肽應用于預防及治療雞的白痢效果明顯。黃永彤等用蠶抗菌肽AD－酵母制劑與5種抗生素及3種中草藥進行肉雞飼喂效果比較試驗，結果表明，飼料轉化率、平均體重、料肉比、成活率均無差異，可見抗菌肽對于改善畜產品品質、保障畜禽產品生產效率是大有可為的。
　　溫劉發等以工程酵母發酵液作試驗，通過飲水攝入一定劑量的抗菌肽的粵黃雞飼養試驗結果表明，抗菌肽可促進小雞生長和減少排泄物氮含量，對粵黃雞具有促生長、保健和治療疾病的功能。蠶抗菌肽酵母制劑作飼料添加劑的應用效果顯著。國內養雞大王郭欣欣用人工飼養的蠅蛆養雞，蛋黃大，膽固醇含量低，雞極少生病，經濟效益好，已在全國多個地方建立了連鎖養殖基地。這樣天然地利用昆蟲中的抗菌肽物質的辦法值得研究和大力推廣。南開大學、天津大學和大港油田聯手攻關，成功地從蒼蠅體內分離出抑制多種病源菌和病毒的抗菌肽，目前多種抑菌試驗已經完成，科研人員正在著手進一步純化從蒼蠅幼蟲體內提取出的抗菌肽。由此可見，抗菌肽及相關產業將在畜牧業中擔當重要角色。
    5 應用前景
　　5.1 抗生素的理想替代品
　　目前，所有的常規抗生素都出現了相應的抗藥性致病株系，致病菌的抗藥性問題已經日益嚴重地威脅著人們的健康。尋找全新類型的抗生素是解決抗藥性問題的一條有效途徑。抗菌肽因為抗菌活性高，抗菌譜廣，種類多，可供選擇的范圍廣，靶菌株不易產生抗性突變等原因，而被認為將會有廣闊的應用前景。更為重要的是，肽在序列和結構上具有多樣性，為新藥設計提供了很大的想象和發揮空間，能生產出性能穩定的產品。
　　5.2 開發和應用潛力巨大
　　目前昆蟲和植物抗菌肽基因工程，在國內外已有不少成功的報道，但畜禽抗菌肽基因工程尚未見報道。因此，運用基因工程技術，通過對畜禽及水產動物抗菌肽的研究，來提高畜禽及水產養殖動物的抗病能力，將對減少甚至替代抗生素的使用起到積極的促進作用。隨著分子生物學技術的發展，抗菌肽在動物生產中的應用前景將十分廣闊。尋找各種飼養動物內源性抗菌物質，以現代生物技術方法工業化生產這些在抗病原菌上具有動物特異性的系列產品，無疑將是抗菌肽的另一個出路。
6 存在的問題
　　抗菌肽的天然資源有限，化學合成和基因工程便成為獲取抗菌肽的主要手段。化學合成肽類，成本較高。而通過基因工程，在微生物中直接表達抗菌肽基因，可能造成宿主微生物自殺而不能獲得表達產物。以融合蛋白的形式表達抗菌肽基因，雖然可以克服這一缺點，但仍有表達產物少的問題。
　　與傳統抗生素相比，昆蟲抗菌肽的抗菌活性還不夠理想。改造已有抗菌肽和設計新抗菌肽分子是創造高活力抗菌肽的有效途徑。這就需要進一步研究抗菌肽結構與活性的關系和作用機理，為抗菌肽分子的改造和設計提供足夠的理論依據。
　　動物對各種肽的耐受濃度不同，這一問題尚需研究。

jnlhx2010

好貼，請問蠅蛆里的抗菌肽效果如何？

上海邦成

我們一直在研究抗菌肽的效果，蠅蛆里的效果還不錯的。