目前飼料工業上多采用向其中添加抗生素來預防和控制飼養的畜禽幼仔生病及死亡,近年來,抗生素的濫用導致耐藥病原菌出現,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受到人們的廣泛關注。

抗菌肽(antimicrobial peptide)原指生物體內經誘導而產生的一類防御性多肽活性物質,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,具有抗氧化、抗炎、抑菌以及不易產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,抗菌肽有望開發成為新一代抗菌劑和防腐劑是當前我國的研究熱點。

一、抗菌肽的種類

(一)天蠶素。天蠶素(cecropins)是第一個由Boman 等發現的動物抗菌肽,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的二硫鍵,多肽的N 端區域有強堿性,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,大多數由38 ~43 個氨基酸殘基組成,分子內3 個二硫鍵由6 個保守的半胱氨酸構成,根據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。

(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 結構域和G 結構域。根據氨基酸殘基數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二硫鍵,甘氨酸含量較高,這是多數蜂毒素的共同特點。蜂毒素的分子量為8 ~ 27kD左右,在結構上可在富含脯氨酸的N 端形成一個P 結構域,而在富含甘氨酸的C 端形成一個G 結構域,這兩種結構域的形成與其廣譜抗菌作用有關。但是蜂毒素的溶血性較強,對其廣泛的應用有了一定的限制。

二、抗菌肽的作用機制

經科學家們大量研究證明,不同來源,不同結構的抗菌肽作用機制有所不同,目前已經提出了以下幾種。

(一)胞膜攻擊作用。抗菌肽可作用于生物的細胞膜,在細胞膜上形成跨膜離子通道后改變了其通透性,破壞細胞膜的穩定性,形成穿孔造成胞外有害物質沿破壞的細胞膜進入細胞內,同時也可引起細胞內容物外泄,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,研究中發現某些抗菌肽在穿過細胞膜進入細胞質后,可以定位于線粒體上的相應位點上,使線粒體出現空泡化及內溶物滲出等現象,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。在生物體內的腫瘤細胞中,抗菌肽可插入細胞骨架系統發育不完善的細胞質膜上,磷脂雙分子層溶解,導致腫瘤細胞結構破壞,同時確保了結構穩定的真核生物細胞膜的安全性。

三、抗菌肽在飼料中的應用

在以往的飼料防腐中,化學防腐劑在生產中發揮著重要的作用,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是蛋白質,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造成損傷,如乳酸鏈球菌肽已在50 多個國家和地區被廣泛應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,且畜禽不產生耐藥性,直接消化吸收,在體內不殘留。抗菌肽因此可以作為動物飼料一種綠色、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化到酵母中進行表達,生產新型抗菌肽制劑,用于畜禽飼料添加劑及獸藥,對畜禽及水產疾病等的預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,提升經濟效益。同樣在飼喂肉雞的試驗中,抗菌肽也能夠預防與治療疾病的同時提高肉雞飼料轉化率及成活率,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濟效率。

在蛋雞基礎日糧中添加抗菌肽制品后,可以使蛋雞的產蛋率和蛋殼硬度提高。抗菌肽具有以上效果,其原因可能與抗菌肽多肽鏈的基礎結構與功能密切相關,在抗菌肽參與機體的生命活動下,促進畜禽生產性能的提高。

抗菌肽產業是一個新興的高科技生物工程和生物技術產業。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域的應用。隨著轉基因技術的進一步發展,現已可以使用工程細菌或酵母菌進行抗菌肽的大量生產,但其核心技術僅被為數不多的科學家和公司掌握。抗菌肽添加劑是減少動物疫病發生,提高畜產品質量的有效途徑之一,相比傳統抗生素,其具有很多優點,己經取得的大量研究結果表明,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計與改造,更多富含抗菌肽的綠色飼料添加劑將被開發出來,大力促進我國畜牧業的發展。

作者：楊闖,王俊玲,王勝男