目前飼料工業(yè)上多采用向其中添加抗生素來預(yù)防和控制飼養(yǎng)的畜禽幼仔生病及死亡,近年來,抗生素的濫用導(dǎo)致耐藥病原菌出現(xiàn),致使一些傳染性疾病已難以治療并且日益惡化,因此可替代抗生素的飼料添加劑的研發(fā)受到人們的廣泛關(guān)注。
抗菌肽(antimicrobial peptide)原指生物體內(nèi)經(jīng)誘導(dǎo)而產(chǎn)生的一類防御性多肽活性物質(zhì),可有效地抑制病原體生長,廣泛分布于病毒、細菌以及各種動植物體內(nèi),具有抗氧化、抗炎、抑菌以及不易產(chǎn)生耐藥性等生理作用,食用安全性非常高。將其添加到植物蛋白飼料中,可以起到抑菌防腐的作用,其分子量較小,一般在2 ~7kD 左右,由20 ~60 個氨基酸殘基組成,易于被動物體消化吸收,因此,抗菌肽有望開發(fā)成為新一代抗菌劑和防腐劑是當(dāng)前我國的研究熱點。
一、抗菌肽的種類
(一)天蠶素。天蠶素(cecropins)是第一個由Boman 等發(fā)現(xiàn)的動物抗菌肽,這類抗菌肽一般含有37 ~ 39 個氨基酸殘基,分子量約4kD,其中僅含較少的半胱氨酸,往往均不能形成分子內(nèi)的二硫鍵,多肽的N 端區(qū)域有強堿性,酰胺化的C 端具有強疏水性,對其抗菌活性起到重要作用。
(二)防御素。1985 年,美國加州大學(xué)Robert Lehrer 博士首次命名防御素(defensins)。天然的防御素分布極為廣泛,大多數(shù)由38 ~43 個氨基酸殘基組成,分子內(nèi)3 個二硫鍵由6 個保守的半胱氨酸構(gòu)成,根據(jù)其二硫鍵位置的不同可分為α - 防御素、β - 防御素、θ - 防御素3 類,二硫鍵與抗菌活性密切相關(guān)。
(三)蛙皮素。蛙皮素(bombesin,BN)最初是Zasloff 等在非洲爪蟾皮膚和胃黏膜腺體上皮細胞中得到的小分子多肽,多肽中富含脯氨酸,帶正電荷,其C 端氨基酸序列非常保守,在發(fā)揮生物活性時是非常重要的部位。N 端富含脯氨酸和甘氨酸,分別形成P 結(jié)構(gòu)域和G 結(jié)構(gòu)域。根據(jù)氨基酸殘基數(shù)目又可分為小分子肽類和大分子肽兩大類。小分子肽類由15 ~ 43 個氨基酸殘基組成,而分子量較大的多肽,由83 個氨基酸殘基組成。
(四)蜂毒素。蜂毒素(Melittin)是蜜蜂毒液的一種多肽,是由26 個氨基酸組成的,氨基酸殘基上不具修飾基團,因其不含或含少量半胱氨酸多無法形成分子內(nèi)二硫鍵,甘氨酸含量較高,這是多數(shù)蜂毒素的共同特點。蜂毒素的分子量為8 ~ 27kD左右,在結(jié)構(gòu)上可在富含脯氨酸的N 端形成一個P 結(jié)構(gòu)域,而在富含甘氨酸的C 端形成一個G 結(jié)構(gòu)域,這兩種結(jié)構(gòu)域的形成與其廣譜抗菌作用有關(guān)。但是蜂毒素的溶血性較強,對其廣泛的應(yīng)用有了一定的限制。
二、抗菌肽的作用機制
經(jīng)科學(xué)家們大量研究證明,不同來源,不同結(jié)構(gòu)的抗菌肽作用機制有所不同,目前已經(jīng)提出了以下幾種。
(一)胞膜攻擊作用?？咕目勺饔糜谏锏募毎?在細胞膜上形成跨膜離子通道后改變了其通透性,破壞細胞膜的穩(wěn)定性,形成穿孔造成胞外有害物質(zhì)沿破壞的細胞膜進入細胞內(nèi),同時也可引起細胞內(nèi)容物外泄,從而殺死細胞。
(二)線粒體攻擊作用。在抗菌肽作用于細菌的線粒體時,研究中發(fā)現(xiàn)某些抗菌肽在穿過細胞膜進入細胞質(zhì)后,可以定位于線粒體上的相應(yīng)位點上,使線粒體出現(xiàn)空泡化及內(nèi)溶物滲出等現(xiàn)象,進而阻礙或抑制細胞呼吸,從而對細胞造成殺傷。
(三)癌細胞骨架的斷裂作用。在生物體內(nèi)的腫瘤細胞中,抗菌肽可插入細胞骨架系統(tǒng)發(fā)育不完善的細胞質(zhì)膜上,磷脂雙分子層溶解,導(dǎo)致腫瘤細胞結(jié)構(gòu)破壞,同時確保了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的真核生物細胞膜的安全性。
三、抗菌肽在飼料中的應(yīng)用
在以往的飼料防腐中,化學(xué)防腐劑在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用,但它作為動物飼料添加劑有著一定的缺點即毒副作用;而天然抗菌肽防腐劑其本質(zhì)是蛋白質(zhì),屬于生物防腐劑范疇,最終降解成氨基酸,被動物消化吸收,無毒副作用,使用安全,不會對畜禽消化系統(tǒng)造成損傷,如乳酸鏈球菌肽已在50 多個國家和地區(qū)被廣泛應(yīng)用于食品的防腐保鮮。
將抗菌肽作為添加劑加入到由大豆豆粕等制備的飼料中,可以起到很好的保鮮、預(yù)防霉變的作用。飼料飼喂畜禽后,又可抑制腸道病菌繁殖,且畜禽不產(chǎn)生耐藥性,直接消化吸收,在體內(nèi)不殘留?？咕囊虼丝梢宰鳛閯游镲暳弦环N綠色、天然添加劑。
某些抗菌肽對部分真菌、原蟲、病毒及癌細胞等均具有強有力的殺傷作用。抗菌肽又具有熱穩(wěn)定性,可在飼料加工過程中保持自身的生物活性。
除直接向飼料中添加抗菌肽外,還可將抗菌肽基因轉(zhuǎn)化到酵母中進行表達,生產(chǎn)新型抗菌肽制劑,用于畜禽飼料添加劑及獸藥,對畜禽及水產(chǎn)疾病等的預(yù)防和治療有很好的效果。
抗菌肽還具有促進畜禽生長和保健的作用。在豬仔日糧中添加少量的抗菌肽能顯著增加豬的體重,同時可以使飼料利用效率得到有效提高,減少飼料成本,提升經(jīng)濟效益。同樣在飼喂肉雞的試驗中,抗菌肽也能夠預(yù)防與治療疾病的同時提高肉雞飼料轉(zhuǎn)化率及成活率,促進小雞生長速度,增加雞的體重及減少死淘率而提高飼料經(jīng)濟效率。
在蛋雞基礎(chǔ)日糧中添加抗菌肽制品后,可以使蛋雞的產(chǎn)蛋率和蛋殼硬度提高?？咕木哂幸陨闲Ч?其原因可能與抗菌肽多肽鏈的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與功能密切相關(guān),在抗菌肽參與機體的生命活動下,促進畜禽生產(chǎn)性能的提高。
菌肽產(chǎn)業(yè)是一個新興的高科技生物工程和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。由于早期的生物工程方法不完善,抗菌肽的提取成本很高,限制了其在植物蛋白工程領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的進一步發(fā)展,現(xiàn)已可以使用工程細菌或酵母菌進行抗菌肽的大量生產(chǎn),但其核心技術(shù)僅被為數(shù)不多的科學(xué)家和公司掌握?？咕奶砑觿┦菧p少動物疫病發(fā)生,提高畜產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑之一,相比傳統(tǒng)抗生素,其具有很多優(yōu)點,己經(jīng)取得的大量研究結(jié)果表明,抗菌肽完全具備替代抗生素的能力。隨著人們對自身健康的重視程度日漸增加,相信隨著對抗菌肽作用機制更加深入的了解,通過基因工程手段有目的地對抗菌肽進行設(shè)計與改造,更多富含抗菌肽的綠色飼料添加劑將被開發(fā)出來,大力促進我國畜牧業(yè)的發(fā)展。
（產(chǎn)業(yè)與科技論）