抗菌肽的功能及作用機制

抗菌肽的功能及作用機制

近年來，微生物的耐藥性一直困擾著水產(chǎn)養(yǎng)殖。長期、廣泛、不加選擇地使用抗生素藥物和抗生素飼料導致一系列耐藥微生物的出現(xiàn),給細菌性疾病的控制和治療帶來了極大的困難,同時也給人類的健康帶來潛在的威脅?？咕淖鳛閭鹘y(tǒng)抗生素的可能替代物以其無比優(yōu)越的特性以及重要的理論價值和應用價值而逐漸成為研究熱點。抗菌肽(Antimicrobialpeptides,AMPs),是一類具有廣譜抗微生物活性的陽離子多肽,廣泛存在于細菌、植物、脊椎和無脊椎動物中,是生物先天免疫的重要組成成分。1972年,瑞典科學家Boman等首先在果蠅中發(fā)現(xiàn)抗菌肽及其免疫功能。1981年Boman等首次從美國天蠶(fHyalophoracecropin)中成功地分離到兩種抗菌肽——蠶素(cecropin)A和B。此后,人們在植物、昆蟲、兩棲類、水產(chǎn)類以及哺乳類動物甚至一些細菌中都發(fā)現(xiàn)了抗菌肽類物質(zhì)。迄今為止,大約有2000多種抗菌肽被分離出來,各種脊椎動物中已發(fā)現(xiàn)100多種。在常見家畜中,豬體內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了12種以上的抗菌肽;綿羊體內(nèi)至少已發(fā)現(xiàn)10種抗菌肽基因;牛體內(nèi)至少已發(fā)現(xiàn)30種抗菌肽,牛奶中也分離出3種抗菌肽。經(jīng)過近20年的研究,人們對抗菌肽的結(jié)構(gòu)、功能及作用機制有了較深的認識。CecropinA、Magainin、Nisi等已先后在醫(yī)藥、食品和農(nóng)業(yè)上得到了應用。1抗菌酶的特性1.1對微生物的作用植物沒有哺乳動物那樣的特異的免疫系統(tǒng).在生長過程中不可避免地會遭到各種細菌、真菌、病毒等的侵襲,但大部分時間里卻不會發(fā)病。研究發(fā)現(xiàn)。植物體內(nèi)存在大量的抗菌物質(zhì)(如抗菌蛋白、抗菌肽等)。在長期進化的過程中,昆蟲形成了類似高等動物免疫系統(tǒng)的抗菌、殺菌分子(主要是抗菌肽)的快速合成機制,分泌到血液中,對抗入侵的細菌、真菌、病毒等。受到創(chuàng)傷的蛙在不干凈的水中仍能安然存活,其原因是它們體內(nèi)能產(chǎn)生抗菌肽,抵御病菌的侵害。在哺乳動物中多種白細胞都可以生成總稱為cathelicidins的一類抗菌肽,不但具有殺滅多種革蘭氏陽性和陰性細菌的功能,某些種類還參與機體的多種其它的生理功能。Hiemstra等認為抗菌肽是哺乳動物先天免疫的主要中介物質(zhì)。1.2抗菌肽的分子量目前發(fā)現(xiàn)的抗菌肽分子量都比較小,如植物防衛(wèi)素分子量為5kDa左右,一般有45～54個氨基酸殘基,含8個半胱氨酸。目前,從豬體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的l2種以上不同的抗菌肽的分子量均小于10kDa。這就為利用基因工程的方法對抗菌肽進行大規(guī)模的生產(chǎn),以及對其進行局部的結(jié)構(gòu)改造提供較好的條件。抗菌肽在水中煮沸30min仍不變性失活,能耐受飼料制粒時的高溫作用。規(guī)模化發(fā)酵生產(chǎn)抗菌肽時經(jīng)高溫濃縮工序,可充分殺滅酵母菌體而不導致抗菌肽失活,使產(chǎn)品在推廣應用后不會出現(xiàn)因工程菌的擴散而導致的環(huán)境以及生態(tài)問題。1.3抗菌肽的作用機理抗菌肽的抗菌機理與傳統(tǒng)的抗生素有較大的不同。研究表明,抗菌肽與革蘭氏陰性菌細胞膜的相互作用始于抗菌肽與LPs結(jié)合并引起細菌外膜結(jié)構(gòu)改變,進而與內(nèi)膜結(jié)合形成通道,改變膜的通透性并引起呼吸相關(guān)的質(zhì)子運動力的下降和新陳代謝的喪失,最終影響生物大分子的合成。由于抗菌肽對細菌細胞壁的透過能力不同,因而,不同抗菌肽及同一抗菌肽對不同細菌的最小致死濃度也有很大不同。這是通過物理作用造成的細胞膜穿孔,不需要特殊的受體,因而它可以殺滅微生物而不產(chǎn)生抗藥性。1.4內(nèi)源性抗菌肽檢測病原菌外源性病原菌的活性高等動物腸道微生物菌群發(fā)達,不同動物的腸道內(nèi)源性抗菌肽能抑制其相應的外源性病原菌。而對動物腸道中共生生態(tài)系統(tǒng)中的微生物和動物細胞無殺傷作用,即高等動物腸道抗菌肽具有“種”特異性。2動物細胞的作用抗菌肽在飼料工業(yè)中的應用,對畜牧業(yè)的發(fā)展起了重要的作用。高等動物腸道內(nèi)的抗菌肽能抑制外源性病原菌,而對動物腸道存在的正常菌群和動物細胞無殺傷作用。雖然腸源抗菌肽有選擇性殺傷病原菌的優(yōu)點,而且高等動物腸道抗菌肽具有“種”特異性,但其在動物體內(nèi)的表達分泌量卻十分有限。加上現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖日益集約化,病原傳播和入侵及各種應激作用日益強化,使得畜禽腸道表達量有限的抗菌肽更難以對動物自身的保健起很大作用。應用各種動物的專一性內(nèi)源性抗菌肽作飼料添加劑,可使飼養(yǎng)動物在受到外源病原菌入侵或應激時能特異性地維持其健康和生長。2.1豬小鼠抗菌肽檢測抗菌肽由于其作為飼料添加劑的眾多優(yōu)點正引起人們的關(guān)注,有望成為替代抗生素的產(chǎn)品之一。目前,不少研究者做了一些相關(guān)的試驗,得到了較好的結(jié)果。馬衛(wèi)明等檢測了豬小腸抗菌肽對雞大腸桿菌(01)C83845株、雞白痢沙門氏菌C79-13株、大腸桿菌(O2)、大腸桿菌(078)、豬致病性大腸桿菌自然分離株、雞致病性大腸桿菌自然分離株、白色葡萄球菌、金黃色葡萄球菌ATCC25923株、豬致病性沙門氏菌自然分離株、綠膿桿菌ATCC27853株、魚致病性嗜水氣單胞菌等11株細菌的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn),豬小腸抗菌肽對以上各株細菌均有不同程度的抑制作用,殺菌率59.5%,98.5%不等。2.2經(jīng)濟上的應用應用基因工程手段大量生產(chǎn)動物專一性抗菌肽,并將其用作飼料添加劑,它通過抑制或殺滅病原微生物,減少動物的發(fā)病率;抑制腸道中有害微生物,維持動物腸道微生態(tài)的平衡;使動物小腸重量變輕、腸壁變薄、腸絨毛變長,通過提高動物對養(yǎng)分的吸收率等方式促進動物的生長,提高了飼料的利用率,取得了明顯的經(jīng)濟效益。目前,國內(nèi)作為添加劑生產(chǎn)應用的主要是蠶抗菌肽AD-酵母制劑。大多數(shù)的畜禽試驗也是圍繞這種抗菌肽進行的。溫劉發(fā)等通過在斷奶仔豬的飼料中用抗菌肽代替抗生素,對仔豬的腹瀉、生產(chǎn)性能等作了比較。結(jié)果表明,抗菌肽在仔豬斷奶應激期間抗腹瀉效果不比抗生素差。適量的抗菌肽比抗生素促生長的效果要好,但高劑量的抗菌肽則降低了仔豬的生長。黃永彤等發(fā)現(xiàn),抗菌肽對肉雞有促進生長和提高免疫力作用。與中草藥抗生素相比,在出欄率、平均體重、飼料效率等方面均無顯著性差異,且在出欄前3d停喂,抽檢無殘留。溫劉發(fā)等通過飲水方式給粵黃雞添加抗菌肽的飼養(yǎng)試驗結(jié)果表明,抗菌肽可促進小雞生長和減少排泄物氮含量。陳曉生等于肉鴨日糧中添加液體的蠶抗茵肽AD–酵母制劑發(fā)現(xiàn)血清代謝激素的活動顯著增強。IGF-1濃度升高,營養(yǎng)物質(zhì)合成加強;甲狀腺素升高,脂肪、T4降低;尿素氮濃度顯著降低,體內(nèi)氮排出減少。此外,國外有報道稱,抗菌肽對飼料防霉也有一定的效果。2.3抗菌肽的作用抗菌肽能耐受飼料制粒時的高溫。規(guī)?；l(fā)酵生產(chǎn)抗菌肽時經(jīng)高溫濃縮工序,可充分殺滅酵母菌體而不導致抗菌肽失活,產(chǎn)品在應用后不會出現(xiàn)工程菌的擴散而導致污染環(huán)境問題?？咕漠a(chǎn)品具廣譜抗菌作用,對畜禽具有促生長、保健和治療疾病的功能,屬無毒副作用、無殘留、無致細菌耐藥性的一類環(huán)保型制劑。另外,抗菌肽殺菌機理非常獨特,病原菌不易對菌肽產(chǎn)生耐藥性,以工程菌工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)抗菌肽的優(yōu)點是:可大規(guī)模生產(chǎn),生產(chǎn)周期短,生產(chǎn)成本低且不受季節(jié)和氣候變化等外在環(huán)境的影響。3抗菌肽的抗菌活性研究值得重視抗菌肽代替抗生素作為飼料添加劑的研究最近幾年才發(fā)展起來的,目前還處于探索階段,距形成成熟的技術(shù)、大規(guī)模的應用到動物生產(chǎn)中還有很多問題需要解決:(1)抗菌肽的種類很多,哪些種類作為飼料添加劑效果較好而且又比較經(jīng)濟,不同種類的抗菌肽之間是否有相互作用等都有待于進一步研究。(2)抗菌肽在動物體內(nèi)含量少,天然資源缺乏,而且由于其具有廣譜的抗菌作用,很難利用微生物進行生產(chǎn);化學合成的生產(chǎn)成本昂貴,目前還無法投入大規(guī)模的生產(chǎn);與多數(shù)抗生素相比,它具有較大的分子量,因而為了保證較低的價格,抗菌肽必須被重組生產(chǎn),或者通過日糧因素調(diào)控抗菌肽基因的表達值得進一步研究。(3)抗菌肽在體內(nèi)容易被蛋白酶水解,需要用脂質(zhì)包被或?qū)ζ溥M行化學修飾來保護,因此還需對它的釋放機制、受體結(jié)合、降解活性及其類似物的結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系等進行研究。(4)目前,人們關(guān)于抗菌肽作為飼料添加劑的可行性只是理論上的推測。真正用在實際生產(chǎn)方面的試驗還比較少,其效果以及是否有副作用還需要更多的動物試驗來證實。(5)抗菌肽的毒性作用,有些陽離子抗菌肽可對哺