抗菌肽在畜牧业的应用前景

上海邦成

抗菌肽又称抗微生物肽（antimicrobial peptide）或肽抗生素（peptide antibiotics），在动植物体内分布广泛，是天然免疫防御系统的一部分。抗菌肽不仅有广谱抗细菌能力，而且对真菌、 病毒及癌细胞也有作用。
　　近年来，由于药物的滥用，药物残留和细菌耐药性等问题日渐严重，从而引发了人们对食品和环境的关注，越来越多的国家开始呼吁禁用抗生素，而抗菌肽因其独特的生物活性以及不同于传统抗生素的特殊作用机理，已引起人们极大的研究兴趣，成为分子生物学和生物化学研究领域的热点之一。
    1 抗菌肽的结构和特性
　　天然抗菌肽通常是由30多个氨基酸残基组成的碱性小分子多肽，水溶性好，分子量大约为4kDa。大部分抗菌肽具有热稳定性，在100℃下加热10～15min仍能保持其活性。多数抗菌肽的等电点大于7，表现出较强的阳离子特征。氨基酸N端富含赖氨酸和精氨酸等阳离子型氨基酸， 其C端富含丙氨酸、缬氨酸、甘氨酸等非极性氨基酸。在许多特定位置都有一些较保守的氨基酸残基，这些高度保守的氨基酸残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，这与抗菌肽的广谱抗菌活性有关。抗菌肽在一定条件下形成α-螺旋和β-折叠结构。
  
    抗菌肽α-螺旋和β-折叠结构模式图
    2 抗菌肽的抗菌机理和特点
　　2.1 抗菌肽的作用机理
　　研究表明，抗菌肽分子通过膜内分子间的位移而相互聚集在一起，从而在膜上形成离子通道，使膜蛋白凝集，使细菌因不能保持正常的渗透压而死亡。也有人提出是通过影响细胞膜上的能量转运和代谢，从而损伤细胞呼吸链的功能而杀死细菌。抗菌肽还可以断裂癌细胞的核DNA，通过抑制DNA的合成而杀死癌细胞。总而言之，抗菌肽作用机理的关键在于通过物理方式和细胞膜发生作用，不同类别的抗菌肽其作用机理可能不同。
　　2.2 抗菌肽作用机理的特点
　　作用部位的有效性
　　传统抗生素作用是通过消除微生物生长或生存必需的功能实现的，如阻挠细菌蛋白质的合成或者改变酶的活性来达到杀菌目的，而细菌通过改变一种基因就足以对付抗生素的这种进攻。抗菌肽则作用于细菌细胞膜，导致膜的通透性增大，以此穿透、杀灭细菌。细菌必须改变膜的结构，即改变相当部分的基因才能防御抗菌肽的进攻，而这几乎是不可能的。因此，抗菌肽极大地减少了产生耐药性的可能。
　　作用对象的选择性
　　抗菌肽只对原核生物细胞和真核生物病变细胞有抗菌作用，对正常的真核生物细胞不起作用。原因在于原核生物和正常真核生物的细胞膜结构不同，正常真核细胞膜中含有大量的胆固醇，而胆固醇的存在使膜结构趋于稳定。此外高等动物存在高度发达的细胞骨架系统，其存在也抵抗了抗菌肽的作用。癌细胞的细胞骨架系统与正常细胞相比不发达，这是抗菌肽对其产生抑制作用的原因之一。
    3 抗菌肽的生物学特性
　　3.1 广谱抗微生物
　　当前畜禽疾病多为混合感染，传统的抗生素抗菌谱一般都较窄，且只对细菌有效。而大多数抗菌肽对革兰氏阴阳性菌均有效，有些还对真菌、病毒、寄生虫、原生动物有抑制或杀灭作用。实验证明抗菌肽可以杀死草履虫、变形虫、四膜虫。柞蚕抗菌肽D对阴道毛滴虫有杀伤作用。
　　很多研究表明，某些类型的抗菌肽有抗DNA、RNA病毒的作用。Melittins（蜂毒素）和Cecropins在亚毒性浓度下通过阻遏基因表达来抑制HIV-1病毒的增殖。Magainin-2及合成肽Modelin-1 和Moderln－5对疱疹病毒HSV－1和HSV－2有一定的抑制效果。Wachinger M等报道天蚕素能抑制艾滋病病毒。华南农业大学研制的蚕抗菌肽AD对鸭乙型肝炎DNA增殖有抑制作用。
　　3.2 作用快速、安全、无残留
　　由于分子较小，在机体受到侵犯时，几分钟内就能产生，且扩展扩散速度比体内免疫细胞更快更灵活。抗菌肽独特的抗菌机理更形成了不耐药的特性，这就超越了抗生素的局限，是新一代的高效抗菌剂。动物食品安全有赖于生产过程的各个环节，使用无污染、在动物体内无残留、无毒副作用的添加剂是解决问题的一个关键。抗菌肽是动物体成分之一，参与生命过程，是小分子短肽，具有安全无毒副作用的生物学特性。
　　3.3 刺激免疫反应
　　抗菌肽可参与宿主天然免疫的其它反应，比如刺激单核细胞和嗜中性白细胞的趋化作用、促进肥大细胞组织胺的释放、抑制组织蛋白酶以及促进创伤愈合。
　　3.4 与其它抗菌物质的联合作用
　　研究发现，抗菌肽与传统抗生素联用，可提高药效并拓宽传统抗生素的抗菌谱。与溶菌酶也有协同作用。至今未见有关抗菌肽与其它药物相拮抗的报道，这就显示出抗菌肽比微生态制剂等绿色添加剂更有优势。
　　3.5 对环境有较强的抗性，适合做添加剂
　　抗菌肽在100℃加热10min条件下仍能保持活力，对pH值有较强适应性、水溶性好。部分抗菌肽尚具备抵抗胰蛋白酶或胃蛋白酶水解的能力，进入动物消化道，能很好地发挥抗菌功效。这弥补了其它添加剂如酶制剂、微生态制剂等易受影响的缺陷，更便于在生产中应用。

    4 抗菌肽的应用研究
　　4.1 抗菌肽的生产
　　现在研究得最多的是昆虫类抗菌肽。虽然可从机体内提取，但含量极微，给其应用带来了极大的困难。至今研究应用的抗菌肽，均是从免疫蚕蛹中提取的，而柞蚕蛹免疫血清中抗菌肽的含量很低，提取价格昂贵。为了能降低抗菌肽的生产成本，进行大规模工业化生产，现已人工设计合成了抗菌肽D、BD及AD基因，并且成功地将其导入酿酒酵母及毕赤酵母中进行表达。因为抗菌肽对细菌具有很强的杀伤作用，不易在原核系统中直接表达，必须通过酵母来表达。在酵母中获得表达的有：蛙皮素（陈海旭等，2002）、抗菌肽AD（黄亚东等，2002）、抗菌肽Apila （韩万江等，1998）、抗菌肽ABP3（沈俊清等，1999）。
　　4.2 在畜牧业上的应用
　　温刘发等应用华南农业大学已开发的抗菌肽添加于断奶仔猪料中，饲喂试验结果表明，蚕抗菌肽可减轻断奶仔猪的腹泻。陈晓生等报告在饲粮中添加抗菌肽对肉鸭有促生长作用。另有报道，柞蚕抗菌肽应用于预防及治疗鸡的白痢效果明显。黄永彤等用蚕抗菌肽AD－酵母制剂与5种抗生素及3种中草药进行肉鸡饲喂效果比较试验，结果表明，饲料转化率、平均体重、料肉比、成活率均无差异，可见抗菌肽对于改善畜产品品质、保障畜禽产品生产效率是大有可为的。
　　温刘发等以工程酵母发酵液作试验，通过饮水摄入一定剂量的抗菌肽的粤黄鸡饲养试验结果表明，抗菌肽可促进小鸡生长和减少排泄物氮含量，对粤黄鸡具有促生长、保健和治疗疾病的功能。蚕抗菌肽酵母制剂作饲料添加剂的应用效果显著。国内养鸡大王郭欣欣用人工饲养的蝇蛆养鸡，蛋黄大，胆固醇含量低，鸡极少生病，经济效益好，已在全国多个地方建立了连锁养殖基地。这样天然地利用昆虫中的抗菌肽物质的办法值得研究和大力推广。南开大学、天津大学和大港油田联手攻关，成功地从苍蝇体内分离出抑制多种病源菌和病毒的抗菌肽，目前多种抑菌试验已经完成，科研人员正在着手进一步纯化从苍蝇幼虫体内提取出的抗菌肽。由此可见，抗菌肽及相关产业将在畜牧业中担当重要角色。
    5 应用前景
　　5.1 抗生素的理想替代品
　　目前，所有的常规抗生素都出现了相应的抗药性致病株系，致病菌的抗药性问题已经日益严重地威胁着人们的健康。寻找全新类型的抗生素是解决抗药性问题的一条有效途径。抗菌肽因为抗菌活性高，抗菌谱广，种类多，可供选择的范围广，靶菌株不易产生抗性突变等原因，而被认为将会有广阔的应用前景。更为重要的是，肽在序列和结构上具有多样性，为新药设计提供了很大的想象和发挥空间，能生产出性能稳定的产品。
　　5.2 开发和应用潜力巨大
　　目前昆虫和植物抗菌肽基因工程，在国内外已有不少成功的报道，但畜禽抗菌肽基因工程尚未见报道。因此，运用基因工程技术，通过对畜禽及水产动物抗菌肽的研究，来提高畜禽及水产养殖动物的抗病能力，将对减少甚至替代抗生素的使用起到积极的促进作用。随着分子生物学技术的发展，抗菌肽在动物生产中的应用前景将十分广阔。寻找各种饲养动物内源性抗菌物质，以现代生物技术方法工业化生产这些在抗病原菌上具有动物特异性的系列产品，无疑将是抗菌肽的另一个出路。
6 存在的问题
　　抗菌肽的天然资源有限，化学合成和基因工程便成为获取抗菌肽的主要手段。化学合成肽类，成本较高。而通过基因工程，在微生物中直接表达抗菌肽基因，可能造成宿主微生物自杀而不能获得表达产物。以融合蛋白的形式表达抗菌肽基因，虽然可以克服这一缺点，但仍有表达产物少的问题。
　　与传统抗生素相比，昆虫抗菌肽的抗菌活性还不够理想。改造已有抗菌肽和设计新抗菌肽分子是创造高活力抗菌肽的有效途径。这就需要进一步研究抗菌肽结构与活性的关系和作用机理，为抗菌肽分子的改造和设计提供足够的理论依据。
　　动物对各种肽的耐受浓度不同，这一问题尚需研究。

jnlhx2010

好贴，请问蝇蛆里的抗菌肽效果如何？

上海邦成

我们一直在研究抗菌肽的效果，蝇蛆里的效果还不错的。