目前饲料工业上多采用向其中添加抗生素来预防和控制饲养的畜禽幼仔生病及死亡,近年来,抗生素的滥用导致耐药病原菌出现,致使一些传染性疾病已难以治疗并且日益恶化,因此可替代抗生素的饲料添加剂的研发受到人们的广泛关注。
抗菌肽(antimicrobial peptide)原指生物体内经诱导而产生的一类防御性多肽活性物质,可有效地抑制病原体生长,广泛分布于病毒、细菌以及各种动植物体内,具有抗氧化、抗炎、抑菌以及不易产生耐药性等生理作用,食用安全性非常高。将其添加到植物蛋白饲料中,可以起到抑菌防腐的作用,其分子量较小,一般在2 ~7kD 左右,由20 ~60 个氨基酸残基组成,易于被动物体消化吸收,因此,抗菌肽有望开发成为新一代抗菌剂和防腐剂是当前我国的研究热点。
一、抗菌肽的种类
(一)天蚕素。天蚕素(cecropins)是第一个由Boman 等发现的动物抗菌肽,这类抗菌肽一般含有37 ~ 39 个氨基酸残基,分子量约4kD,其中仅含较少的半胱氨酸,往往均不能形成分子内的二硫键,多肽的N 端区域有强碱性,酰胺化的C 端具有强疏水性,对其抗菌活性起到重要作用。
(二)防御素。1985 年,美国加州大学Robert Lehrer 博士首次命名防御素(defensins)。天然的防御素分布极为广泛,大多数由38 ~43 个氨基酸残基组成,分子内3 个二硫键由6 个保守的半胱氨酸构成,根据其二硫键位置的不同可分为α - 防御素、β - 防御素、θ - 防御素3 类,二硫键与抗菌活性密切相关。
(三)蛙皮素。蛙皮素(bombesin,BN)最初是Zasloff 等在非洲爪蟾皮肤和胃黏膜腺体上皮细胞中得到的小分子多肽,多肽中富含脯氨酸,带正电荷,其C 端氨基酸序列非常保守,在发挥生物活性时是非常重要的部位。N 端富含脯氨酸和甘氨酸,分别形成P 结构域和G 结构域。根据氨基酸残基数目又可分为小分子肽类和大分子肽两大类。小分子肽类由15 ~ 43 个氨基酸残基组成,而分子量较大的多肽,由83 个氨基酸残基组成。
(四)蜂毒素。蜂毒素(Melittin)是蜜蜂毒液的一种多肽,是由26 个氨基酸组成的,氨基酸残基上不具修饰基团,因其不含或含少量半胱氨酸多无法形成分子内二硫键,甘氨酸含量较高,这是多数蜂毒素的共同特点。蜂毒素的分子量为8 ~ 27kD左右,在结构上可在富含脯氨酸的N 端形成一个P 结构域,而在富含甘氨酸的C 端形成一个G 结构域,这两种结构域的形成与其广谱抗菌作用有关。但是蜂毒素的溶血性较强,对其广泛的应用有了一定的限制。
二、抗菌肽的作用机制
经科学家们大量研究证明,不同来源,不同结构的抗菌肽作用机制有所不同,目前已经提出了以下几种。
(一)胞膜攻击作用。抗菌肽可作用于生物的细胞膜,在细胞膜上形成跨膜离子通道后改变了其通透性,破坏细胞膜的稳定性,形成穿孔造成胞外有害物质沿破坏的细胞膜进入细胞内,同时也可引起细胞内容物外泄,从而杀死细胞。
(二)线粒体攻击作用。在抗菌肽作用于细菌的线粒体时,研究中发现某些抗菌肽在穿过细胞膜进入细胞质后,可以定位于线粒体上的相应位点上,使线粒体出现空泡化及内溶物渗出等现象,进而阻碍或抑制细胞呼吸,从而对细胞造成杀伤。
(三)癌细胞骨架的断裂作用。在生物体内的肿瘤细胞中,抗菌肽可插入细胞骨架系统发育不完善的细胞质膜上,磷脂双分子层溶解,导致肿瘤细胞结构破坏,同时确保了结构稳定的真核生物细胞膜的安全性。
三、抗菌肽在饲料中的应用
在以往的饲料防腐中,化学防腐剂在生产中发挥着重要的作用,但它作为动物饲料添加剂有着一定的缺点即毒副作用;而天然抗菌肽防腐剂其本质是蛋白质,属于生物防腐剂范畴,最终降解成氨基酸,被动物消化吸收,无毒副作用,使用安全,不会对畜禽消化系统造成损伤,如乳酸链球菌肽已在50 多个国家和地区被广泛应用于食品的防腐保鲜。
将抗菌肽作为添加剂加入到由大豆豆粕等制备的饲料中,可以起到很好的保鲜、预防霉变的作用。饲料饲喂畜禽后,又可抑制肠道病菌繁殖,且畜禽不产生耐药性,直接消化吸收,在体内不残留。抗菌肽因此可以作为动物饲料一种绿色、天然添加剂。
某些抗菌肽对部分真菌、原虫、病毒及癌细胞等均具有强有力的杀伤作用。抗菌肽又具有热稳定性,可在饲料加工过程中保持自身的生物活性。
除直接向饲料中添加抗菌肽外,还可将抗菌肽基因转化到酵母中进行表达,生产新型抗菌肽制剂,用于畜禽饲料添加剂及兽药,对畜禽及水产疾病等的预防和治疗有很好的效果。
抗菌肽还具有促进畜禽生长和保健的作用。在猪仔日粮中添加少量的抗菌肽能显著增加猪的体重,同时可以使饲料利用效率得到有效提高,减少饲料成本,提升经济效益。同样在饲喂肉鸡的试验中,抗菌肽也能够预防与治疗疾病的同时提高肉鸡饲料转化率及成活率,促进小鸡生长速度,增加鸡的体重及减少死淘率而提高饲料经济效率。
在蛋鸡基础日粮中添加抗菌肽制品后,可以使蛋鸡的产蛋率和蛋壳硬度提高。抗菌肽具有以上效果,其原因可能与抗菌肽多肽链的基础结构与功能密切相关,在抗菌肽参与机体的生命活动下,促进畜禽生产性能的提高。
菌肽产业是一个新兴的高科技生物工程和生物技术产业。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领域的应用。随着转基因技术的进一步发展,现已可以使用工程细菌或酵母菌进行抗菌肽的大量生产,但其核心技术仅被为数不多的科学家和公司掌握。抗菌肽添加剂是减少动物疫病发生,提高畜产品质量的有效途径之一,相比传统抗生素,其具有很多优点,己经取得的大量研究结果表明,抗菌肽完全具备替代抗生素的能力。随着人们对自身健康的重视程度日渐增加,相信随着对抗菌肽作用机制更加深入的了解,通过基因工程手段有目的地对抗菌肽进行设计与改造,更多富含抗菌肽的绿色饲料添加剂将被开发出来,大力促进我国畜牧业的发展。
（产业与科技论）