抗菌肽在畜牧業(yè)上的應(yīng)用前景

zhangyufuu · 發(fā)表于 2009-5-3 08:21:51

作者：來源：時(shí)間：2009-1-6 19:29:46 閱讀：133次

抗菌肽又稱抗微生物肽（antimicrobial peptide）或肽抗生素（peptide antibiotics），在動(dòng)植物體內(nèi)分布廣泛，是天然免疫防御系統(tǒng)的一部分。抗菌肽不僅有廣譜抗細(xì)菌能力，而且對真菌、病毒及癌細(xì)胞也有作用。近年來，由于藥物的濫用，藥物殘留和細(xì)菌耐藥性等問題日漸嚴(yán)重，從而引發(fā)了人們對食品和環(huán)境的關(guān)注，越來越多的國家開始呼吁禁用抗生素，而抗菌肽因其獨(dú)特的生物活性以及不同于傳統(tǒng)抗生素的特殊作用機(jī)理，已引起人們極大的研究興趣，成為分子生物學(xué)和生物化學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。抗菌肽首先由瑞典科學(xué)家Boman G等人經(jīng)注射陰溝桿菌及大腸桿菌誘導(dǎo)惜古比天蠶蛹產(chǎn)生的具有抗菌活性的多肽，即Cecropins。此后科學(xué)家們在昆蟲、被囊動(dòng)物（tunicate）、兩棲動(dòng)物、鳥類、魚類、哺乳動(dòng)物、植物乃至人類等多種生物體中發(fā)現(xiàn)并分離獲得了300余種內(nèi)源性抗菌肽。近來，對昆蟲抗菌肽己進(jìn)行了較為系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究，有了基因工程肽供試驗(yàn)生產(chǎn)使用。
1 抗菌肽的結(jié)構(gòu)和特性
天然抗菌肽通常是由30多個(gè)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(wěn)定性，在100℃下加熱10～15min仍能保持其活性。多數(shù)抗菌肽的等電點(diǎn)大于7，表現(xiàn)出較強(qiáng)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(guān)。抗菌肽在一定條件下形成α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)。
2 抗菌肽的抗菌機(jī)理和特點(diǎn)
2．1 抗菌肽的作用機(jī)理
研究表明，抗菌肽分子通過膜內(nèi)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(xì)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(xì)胞膜上的能量轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝，從而損傷細(xì)胞呼吸鏈的功能而殺死細(xì)菌。抗菌肽還可以斷裂癌細(xì)胞的核DNA，通過抑制DNA的合成而殺死癌細(xì)胞。總而言之，抗菌肽作用機(jī)理的關(guān)鍵在于通過物理方式和細(xì)胞膜發(fā)生作用，不同類別的抗菌肽其作用機(jī)理可能不同。
2．2 抗菌肽作用機(jī)理的特點(diǎn)
2．2．1 作用部位的有效性
傳統(tǒng)抗生素作用是通過消除微生物生長或生存必需的功能實(shí)現(xiàn)的，如阻撓細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成或者改變酶的活性來達(dá)到殺菌目的，而細(xì)菌通過改變一種基因就足以對付抗生素的這種進(jìn)攻。抗菌肽則作用于細(xì)菌細(xì)胞膜，導(dǎo)致膜的通透性增大，以此穿透、殺滅細(xì)菌。細(xì)菌必須改變膜的結(jié)構(gòu)，即改變相當(dāng)部分的基因才能防御抗菌肽的進(jìn)攻，而這幾乎是不可能的。因此，抗菌肽極大地減少了產(chǎn)生耐藥性的可能。
2．2．2 作用對象的選擇性
抗菌肽只對原核生物細(xì)胞和真核生物病變細(xì)胞有抗菌作用，對正常的真核生物細(xì)胞不起作用。原因在于原核生物和正常真核生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)不同，正常真核細(xì)胞膜中含有大量的膽固醇，而膽固醇的存在使膜結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。此外高等動(dòng)物存在高度發(fā)達(dá)的細(xì)胞骨架系統(tǒng)，其存在也抵抗了抗菌肽的作用。癌細(xì)胞的細(xì)胞骨架系統(tǒng)與正常細(xì)胞相比不發(fā)達(dá)，這是抗菌肽對其產(chǎn)生抑制作用的原因之一。
3 抗菌肽的生物學(xué)特性
3．1 廣譜抗微生物
當(dāng)前畜禽疾病多為混合感染，傳統(tǒng)的抗生素抗菌譜一般都較窄，且只對細(xì)菌有效。而大多數(shù)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(dòng)物有抑制或殺滅作用。實(shí)驗(yàn)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(dá)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(bào)道天蠶素能抑制艾滋病病毒。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(jī)體受到侵犯時(shí)，幾分鐘內(nèi)就能產(chǎn)生，且擴(kuò)展擴(kuò)散速度比體內(nèi)免疫細(xì)胞更快更靈活。抗菌肽獨(dú)特的抗菌機(jī)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(dòng)物食品安全有賴于生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，使用無污染、在動(dòng)物體內(nèi)無殘留、無毒副作用的添加劑是解決問題的一個(gè)關(guān)鍵。抗菌肽是動(dòng)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(xué)特性。
3．3 刺激免疫反應(yīng)
抗菌肽可參與宿主天然免疫的其它反應(yīng)，比如刺激單核細(xì)胞和嗜中性白細(xì)胞的趨化作用、促進(jìn)肥大細(xì)胞組織胺的釋放、抑制組織蛋白酶以及促進(jìn)創(chuàng)傷愈合。
3．4 與其它抗菌物質(zhì)的聯(lián)合作用
研究發(fā)現(xiàn)，抗菌肽與傳統(tǒng)抗生素聯(lián)用，可提高藥效并拓寬傳統(tǒng)抗生素的抗菌譜。與溶菌酶也有協(xié)同作用。至今未見有關(guān)抗菌肽與其它藥物相拮抗的報(bào)道，這就顯示出抗菌肽比微生態(tài)制劑等綠色添加劑更有優(yōu)勢。
3．5 對環(huán)境有較強(qiáng)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(qiáng)適應(yīng)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(jìn)入動(dòng)物消化道，能很好地發(fā)揮抗菌功效。這彌補(bǔ)了其它添加劑如酶制劑、微生態(tài)制劑等易受影響的缺陷，更便于在生產(chǎn)中應(yīng)用。
4 抗菌肽的應(yīng)用研究
4．1 抗菌肽的生產(chǎn)
現(xiàn)在研究得最多的是昆蟲類抗菌肽。雖然可從機(jī)體內(nèi)提取，但含量極微，給其應(yīng)用帶來了極大的困難。至今研究應(yīng)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(jià)格昂貴。為了能降低抗菌肽的生產(chǎn)成本，進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)已人工設(shè)計(jì)合成了抗菌肽D、BD及AD基因，并且成功地將其導(dǎo)入釀酒酵母及畢赤酵母中進(jìn)行表達(dá)。因?yàn)榭咕膶?xì)菌具有很強(qiáng)的殺傷作用，不易在原核系統(tǒng)中直接表達(dá)，必須通過酵母來表達(dá)。在酵母中獲得表達(dá)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(yè)上的應(yīng)用
仔豬腹瀉、奶牛乳房炎及各種病毒性疾病如豬瘟、雞新城疫等一直是棘手的疾病,不利于畜牧業(yè)的發(fā)展。借鑒已成功的昆蟲抗菌肽轉(zhuǎn)基因工程,如轉(zhuǎn)基因蚊子、轉(zhuǎn)基因馬鈴薯、轉(zhuǎn)基因水稻等,把特異的抗菌肽基因轉(zhuǎn)入畜禽特定細(xì)胞上讓其表達(dá),從而產(chǎn)生抗病新品種。
溫劉發(fā)等應(yīng)用華南農(nóng)業(yè)大學(xué)已開發(fā)的抗菌肽添加于斷奶仔豬料中，飼喂試驗(yàn)結(jié)果表明，蠶抗菌肽可減輕斷奶仔豬的腹瀉。陳曉生等報(bào)告在飼糧中添加抗菌肽對肉鴨有促生長作用。另有報(bào)道，柞蠶抗菌肽應(yīng)用于預(yù)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(jìn)行肉雞飼喂效果比較試驗(yàn)，結(jié)果表明，飼料轉(zhuǎn)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(chǎn)品品質(zhì)、保障畜禽產(chǎn)品生產(chǎn)效率是大有可為的。
溫劉發(fā)等以工程酵母發(fā)酵液作試驗(yàn)，通過飲水?dāng)z入一定劑量的抗菌肽的粵黃雞飼養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，抗菌肽可促進(jìn)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(yīng)用效果顯著。國內(nèi)養(yǎng)雞大王郭欣欣用人工飼養(yǎng)的蠅蛆養(yǎng)雞，蛋黃大，膽固醇含量低，雞極少生病，經(jīng)濟(jì)效益好，已在全國多個(gè)地方建立了連鎖養(yǎng)殖基地。這樣天然地利用昆蟲中的抗菌肽物質(zhì)的辦法值得研究和大力推廣。南開大學(xué)、天津大學(xué)和大港油田聯(lián)手攻關(guān)，成功地從蒼蠅體內(nèi)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(yàn)已經(jīng)完成，科研人員正在著手進(jìn)一步純化從蒼蠅幼蟲體內(nèi)提取出的抗菌肽。由此可見，抗菌肽及相關(guān)產(chǎn)業(yè)將在畜牧業(yè)中擔(dān)當(dāng)重要角色。
此外，據(jù)美國學(xué)者報(bào)道，抗菌肽還可以作為飼料防霉劑。
5 應(yīng)用前景
5．1 抗生素的理想替代品
目前，所有的常規(guī)抗生素都出現(xiàn)了相應(yīng)的抗藥性致病株系，致病菌的抗藥性問題已經(jīng)日益嚴(yán)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?yàn)榭咕钚愿撸咕V廣，種類多，可供選擇的范圍廣，靶菌株不易產(chǎn)生抗性突變等原因，而被認(rèn)為將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。更為重要的是，肽在序列和結(jié)構(gòu)上具有多樣性，為新藥設(shè)計(jì)提供了很大的想象和發(fā)揮空間，能生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。
5．2 開發(fā)和應(yīng)用潛力巨大
目前昆蟲和植物抗菌肽基因工程，在國內(nèi)外已有不少成功的報(bào)道，但畜禽抗菌肽基因工程尚未見報(bào)道。因此，運(yùn)用基因工程技術(shù)，通過對畜禽及水產(chǎn)動(dòng)物抗菌肽的研究，來提高畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)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(jìn)作用。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，抗菌肽在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用前景將十分廣闊。尋找各種飼養(yǎng)動(dòng)物內(nèi)源性抗菌物質(zhì)，以現(xiàn)代生物技術(shù)方法工業(yè)化生產(chǎn)這些在抗病原菌上具有動(dòng)物特異性的系列產(chǎn)品，無疑將是抗菌肽的另一個(gè)出路。
6 存在的問題
6．1 抗菌肽的天然資源有限，化學(xué)合成和基因工程便成為獲取抗菌肽的主要手段。化學(xué)合成肽類，成本較高。而通過基因工程，在微生物中直接表達(dá)抗菌肽基因，可能造成宿主微生物自殺而不能獲得表達(dá)產(chǎn)物。以融合蛋白的形式表達(dá)抗菌肽基因，雖然可以克服這一缺點(diǎn)，但仍有表達(dá)產(chǎn)物少的問題。
6．2 與傳統(tǒng)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(shè)計(jì)新抗菌肽分子是創(chuàng)造高活力抗菌肽的有效途徑。這就需要進(jìn)一步研究抗菌肽結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系和作用機(jī)理，為抗菌肽分子的改造和設(shè)計(jì)提供足夠的理論依據(jù)。
6.3 動(dòng)物對各種肽的耐受濃度不同，這一問題尚需研究。