抗菌肽是生物體內(nèi)經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的一種具有生物活性的小分子多肽，與傳統(tǒng)抗生素相比具有無藥殘，不易產(chǎn)生耐藥性等特點(diǎn)，是抗生素理想的替代品，同時(shí)也可作為一種高效優(yōu)質(zhì)的綠色飼料添加劑。抗生素在畜禽養(yǎng)殖業(yè)的濫用，不但造成動(dòng)物免疫力下降，其藥物殘留更威脅到人類健康。本文介紹了抗菌肽的作用機(jī)理、功能及在畜禽生產(chǎn)中的進(jìn)展研究。
隨著抗生素的使用，其負(fù)面影響日漸突出，細(xì)菌抗藥性越來越普遍，越來越嚴(yán)重，長期使用抗生素造成畜禽機(jī)體的免疫力下降，引起畜禽腸道菌群失衡，在畜產(chǎn)品和環(huán)境中造成殘留。另外，抗生素還有致基因突變、引發(fā)畸形和誘發(fā)癌癥。從2010年1月到2012年9月期間，美國、歐洲及亞洲的國際動(dòng)物營養(yǎng)期刊中已經(jīng)發(fā)表百來篇研究抗生素代替物的文章，這表明尋求抗生素替代物已成為養(yǎng)殖業(yè)的研究熱點(diǎn)。自1972~1975年，瑞典Boman等[1]從果蠅(Drosophila melanogaster) 及惜古比天蠶(Hyalophoracecropia)中發(fā)現(xiàn)抗菌肽，稱為Cecropin, 具有廣譜殺菌功能。1981年，黃自然等[2]從中國柞蠶中分離抗菌肽及溶菌酶。此后，不斷有各種來源的抗菌肽被人們發(fā)現(xiàn)并提取，并應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。
1 抗菌肽的作用機(jī)理及特點(diǎn)
1.1 抗菌肽的作用機(jī)理
抗菌肽能夠與細(xì)胞膜表面相互作用，使膜的通透性改變。陽離子抗菌肽的正電荷區(qū)域與細(xì)胞膜上的負(fù)電荷區(qū)域相互作用，使抗菌肽分子的疏水端插入細(xì)胞膜的脂質(zhì)膜中，進(jìn)而改變脂質(zhì)膜結(jié)構(gòu)。抗菌肽與細(xì)胞膜作用后形成跨膜電位，打破酸堿平衡，影響滲透壓平衡，抑制呼吸作用，從而到達(dá)抑菌作用[3]。
抗菌肽除了作用于細(xì)胞膜，還可以作用于細(xì)胞內(nèi)的其他靶點(diǎn)�？咕脑谶M(jìn)入細(xì)胞之后，通過與細(xì)胞內(nèi)靶點(diǎn)的特異性結(jié)合干擾細(xì)胞代謝，達(dá)到抑制和殺滅細(xì)菌的目的。此理論解釋了許多抗菌肽在非常低的濃度下仍然能夠?qū)е录?xì)菌死亡的現(xiàn)象。抗菌肽主要通過以下幾個(gè)方面在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用：1)與細(xì)胞內(nèi)的酸性物質(zhì)結(jié)合，阻斷DNA復(fù)制和RNA合成;2)影響蛋白質(zhì)的合成;3)抑制細(xì)胞壁的合成，阻礙細(xì)胞分裂;4)抑制細(xì)胞內(nèi)酶活性等[4 ]。Nan等[ 5 ]通過對(duì)indolicidin的修飾，發(fā)現(xiàn)其類似物IN-3和IN-4可以透過大腸桿菌質(zhì)膜，在細(xì)胞內(nèi)積累并與DNA分子結(jié)合。Yenugu等[6]發(fā)現(xiàn)經(jīng)抗菌肽 HE2alpha、HE2betal或 HE2beta2處理的大腸桿菌也能抑制其蛋白質(zhì)的合成，而且電鏡觀察到細(xì)菌細(xì)胞膜的變化和細(xì)胞內(nèi)容物的泄露。Hasper[7]研究證明，nisin可將LipidⅡ從細(xì)胞壁合成位點(diǎn)或隔膜處移除，以阻斷細(xì)胞壁的合成。Vincent等 [8]研究發(fā)現(xiàn)，由大腸桿菌質(zhì)粒編碼的細(xì)菌素microcin J25與RNA聚合酶結(jié)合后，可阻斷RNA聚合酶中堿基運(yùn)輸和合成過程中副產(chǎn)物的排出，從而阻止堿基與酶的活性中心集合，抑制RNA聚合酶的活性。
抗菌肽還能抑制細(xì)胞壁的形成，抑制細(xì)胞呼吸作用和阻礙細(xì)胞外膜蛋白的合成。據(jù)劉先凱[9]、姚朔影[10]等報(bào)道，sarcotoxin可以抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的形成，使細(xì)菌不能維持正常的形態(tài)而最終導(dǎo)致生長受阻，但其對(duì)已經(jīng)形成的細(xì)胞壁不起作用。有研究發(fā)現(xiàn)，用40μmol/L的Thanatin處理細(xì)菌1 h后，可監(jiān)測(cè)到細(xì)菌的呼吸作用變?nèi)酰? h后細(xì)菌的呼吸作用完全停止，故推斷Thanatin是通過抑制細(xì)胞的呼吸作用來殺菌的[11]。Attacins能夠通過干擾大腸桿菌細(xì)胞外膜蛋白基因的轉(zhuǎn)錄減少蛋白的合成，從而增加細(xì)胞膜的通透性，最終使得細(xì)菌的生長受到抑制[12]。
綜上所述，抗菌肽的抗菌機(jī)制復(fù)雜，抗菌肽不但能夠殺滅大量細(xì)菌，還能殺傷腫瘤細(xì)胞、真菌、病毒、寄生蟲等。抗菌肽的作用對(duì)象雖然種類繁多，但共同的特點(diǎn)是作用于有膜成分的靶點(diǎn)。
1.2抗菌肽抗菌特點(diǎn)
與抗生素相比，抗菌肽具有廣譜高效的抗菌性、分子量小熱穩(wěn)定性好，不易產(chǎn)生抗藥性的特點(diǎn)。Noga等[13]研究表明，虹鱒魚的頭腎表達(dá)具有cathelicidin關(guān)鍵特征的多肽，對(duì)于多種革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌具有比較明顯的抑菌活性，其最低抑菌濃度為2μg/mL。徐進(jìn)署等[14]研究發(fā)現(xiàn)，極低濃度的爪蟾種類的特異性抗菌肽——蛙皮肽(magainin)就能殺死革蘭氏陽性菌和陰性菌、真菌以及原生動(dòng)物。
抗菌肽通常由12～50多個(gè)氨基酸組成，相對(duì)分子質(zhì)量一般在4 kDa 左右。吳詩光[15]等在鳳仙花種子中發(fā)現(xiàn)的抗菌肽1b-AMPs，僅有20個(gè)氨基酸殘基，是迄今為止在植物中發(fā)現(xiàn)的最短的抗菌肽。昆蟲抗菌肽的4大類中，cecropin 含31～39 個(gè)殘基;昆蟲防御素含38～43個(gè)殘基;富含脯氨酸的陽離子肽如apidaccin、abaccin和drosocin 等的分子量為2～4kDa;富含甘氨酸的抗菌肽，如diptericin、attacin、sarcotoxin、coleoptericin 等的分子量為8～30kDa，蛙皮素含有21～27個(gè)氨基酸的殘基[14]。目前，從豬體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的12 種以上不同的抗菌肽的分子量均小于10kDa[16]。
溫劉發(fā)等[17]發(fā)現(xiàn)抗菌肽在沸水中煮30min 仍不變性失活，能耐受飼料制粒時(shí)的高溫作用，規(guī)模化發(fā)酵生產(chǎn)抗菌肽時(shí)經(jīng)高溫濃縮工序，可充分殺滅酵母菌體而不導(dǎo)致抗菌肽失活，使產(chǎn)品在推廣應(yīng)用后不會(huì)出現(xiàn)因工程菌的擴(kuò)散而導(dǎo)致的環(huán)境生態(tài)問題。
大多數(shù)抗菌肽分子是帶正電荷的，可以與細(xì)菌胞漿磷脂分子上的負(fù)電荷通過靜電吸附而結(jié)合在脂質(zhì)膜上，使脂雙層外側(cè)發(fā)生扭曲，細(xì)胞膜產(chǎn)生相變，產(chǎn)生短暫的離子通道。這是通過物理作用造成的細(xì)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[18]。
2 抗菌肽在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用
2.1 抗菌肽在斷奶仔豬生產(chǎn)中的應(yīng)用
仔豬在斷奶期間，一般都會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的腹瀉現(xiàn)象，研究表明抗菌肽對(duì)大腸桿菌、沙門氏菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌等有害菌有抑制作用，能有效改善和防止仔豬的腹瀉。黃茂俠[19]報(bào)道，仔豬基礎(chǔ)日糧中添加0.2% 抗菌肽時(shí)可顯著降低仔豬腹瀉率、腹瀉頻率和腹瀉指數(shù)，分別是18.42%、1.7% 和0.10%;添加量達(dá)到0.6% 和0.8% 的抗菌肽制劑時(shí)可顯著降低仔豬腹瀉3.20% 、12.78%和呼吸道疾病發(fā)病率降低40.03%和40.89%，并且效果要優(yōu)于阿莫西林組。黃木家等[20]應(yīng)用抗菌肽2% 制劑代替仔豬槽料中的血漿蛋白粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)仔豬的腹瀉率減少47.78%，緩解了仔豬的斷奶綜合征，提高了仔豬的健康水平。
抗菌肽可以通過刺激免疫反應(yīng)，迅速使機(jī)體T、B細(xì)胞增殖，提高巨噬細(xì)胞吞噬效率，增強(qiáng)免疫應(yīng)答能力，調(diào)節(jié)免疫機(jī)能，增強(qiáng)預(yù)防接種免疫效果，提高仔豬健康水平。王阿榮等[21]報(bào)道，在仔豬日糧中添加320g/t的天蠶素抗菌肽可以提高斷奶仔豬血液中免疫球蛋白(IgG)的含量。由此可見，適量添加天蠶素抗菌肽可以提高斷奶仔豬機(jī)體免疫力。王凱等[22]研究發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)日糧中添加抗菌肽可以提高仔豬T淋巴細(xì)胞的提高，穩(wěn)定豬群健康水平，提高仔豬免疫力。
2.2抗菌肽在母豬生產(chǎn)中的應(yīng)用
母豬生產(chǎn)性能是影響豬場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益的第一個(gè)限制性因素。李永新等[23]觀察抗菌肽對(duì)母豬生產(chǎn)性能的影響，試驗(yàn)組母豬的生產(chǎn)性能顯著提高，試驗(yàn)組母豬的窩均產(chǎn)仔數(shù)和窩均活仔質(zhì)量均高于對(duì)照組：分娩、斷奶的成活率分別比對(duì)照組提高了6.48%和16.1%，結(jié)果表明：抗菌肽的保健效果具有明顯的優(yōu)勢(shì)。劉紅健[24]等在母豬的飼料中添加加0.3% 抗菌肽，死胎率降低了33.3%、木乃伊率降低100%、初生成活率提高6.0%、初生平均頭重提高1.3%、窩平均存活數(shù)提高32.1%、斷奶成活率提高3.3%、斷奶平均頭重提高25.1%、平均凈增重提高32.8%。
郭小明等[25]將抗生素與抗菌肽的效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用防御素抗菌膚，添加抗菌肽(試驗(yàn)組)的母豬產(chǎn)弱仔率僅為2.5%，而添加利高霉素和阿莫西林(對(duì)照組)的母豬產(chǎn)弱仔率為8.3%，對(duì)照組弱仔率明顯高于試驗(yàn)組弱仔率。其中添加防御素抗菌試驗(yàn)組母豬所產(chǎn)的1128 頭仔豬中，木乃伊2頭、死胎3頭。對(duì)照組母豬所產(chǎn)11頭仔豬中，木乃伊6頭、死胎7頭。對(duì)照組木乃伊發(fā)生率0.54 %，死胎發(fā)生率0.63 %，明顯高于試驗(yàn)組木乃伊發(fā)生率0. 17 % 與死胎發(fā)生率0. 26 %。
2.3抗菌肽在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用
禽類集約化養(yǎng)殖過程中出現(xiàn)的一些問題，如飼養(yǎng)密度過大、過冷、過熱、衛(wèi)生狀況差等，會(huì)影響禽類的消化道微生態(tài)平衡，導(dǎo)致其免疫力、生產(chǎn)性能及抗疾病能力下降。大量研究表明，抗菌肽可以提高雞的免疫力，增強(qiáng)抗病能力。呂尊周[26]研究抗菌肽對(duì)蛋雞血清免疫指標(biāo)及脾臟白細(xì)胞介素2 mRNA 表達(dá)量的影響，結(jié)果表明：飼糧中添加不同水平抗菌肽可不同程度地提高脾臟系數(shù)。與對(duì)照組相比，添加抗菌肽的試驗(yàn)組血清免疫球蛋白A、血清免疫球蛋白G 含量均有不同程度的提高，而抗菌肽對(duì)血清免疫球蛋白M、C3 和C4 含量影響不顯著�？咕慕M脾臟IL-2 mRNA 的表達(dá)量顯著高于對(duì)照組。
陳曉生等[27]研究了飼料中添加抗菌肽對(duì)肉鴨的影響，結(jié)果表明，肉鴨日糧中添加2mL/kg上的抗菌肽制劑時(shí)，1~7周齡尤其在1~2周齡增重效果顯著，能顯著提高采食量，隨著抗菌肽添加量的提高，能明顯提高肉鴨的凈肉率，并降低腹脂率。黃永彤[28]等將柞蠶抗菌肽酵母制劑作為肉雞飼料添加劑，結(jié)果顯示抗菌肽可以促進(jìn)肉雞生長，使肉雞成活率提高10%，飼料轉(zhuǎn)化率提高3.64%。盧宇等[29]通過試驗(yàn)證明，在飼料中添加抗菌肽S807，并飼喂10~35日齡肉雞，雞只成活率比對(duì)照組提高了8.62%。這些研究說明抗菌肽具有促進(jìn)禽畜機(jī)體對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的合成和利用，抑制病原菌繁殖，改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，提高機(jī)體免疫能力等作用。
3 總結(jié)
近年來，抗生素濫用問題日益加重，使得許多致病菌出現(xiàn)耐藥性，甚至出現(xiàn)了抗生素治療無效的超級(jí)細(xì)菌。在畜禽飼養(yǎng)過程中，病原體變異使得許多具有典型臨床特征的疾病出現(xiàn)非典型癥狀，原本控制較好的疾病再次流行，新病也不斷出現(xiàn)，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。抗菌肽除了具有很好的殺菌和抑菌效果外，添加在飼料中可有效防止飼料霉變。動(dòng)物采食了含有抗菌肽的飼料后，不僅可以有效抑制腸道內(nèi)病菌的繁殖，調(diào)節(jié)動(dòng)物體內(nèi)的微生態(tài)平衡，而且不易產(chǎn)生殘留，細(xì)菌也不易產(chǎn)生耐藥性。
抗菌肽雖然是近些年來國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，但仍存在以下3個(gè)方面問題：1)抗菌肽的抗菌活力問題�？咕碾m然能夠治療多種疾病，但其抗菌活力和抗菌譜和傳統(tǒng)抗生素相比還是略顯不足。2)抗菌肽藥用性能的問題。在臨床應(yīng)用中，抗菌肽的毒理性和藥理藥效方面的研究還不夠深入，尤其是在食用劑量、給藥方式和作用時(shí)間等方面還需要進(jìn)一步研究。3)抗菌肽的生產(chǎn)加工問題。從生物體中提取的天然抗菌肽含量極低，提取工藝復(fù)雜，而且資源有限;化學(xué)合成制備難以保持抗菌肽的天然結(jié)構(gòu)及活性;利用基因工程技術(shù)重組抗菌肽表達(dá)效率低，且常以融合蛋白形式表達(dá)，后期處理難以獲得純品;抗菌肽無論是基因工程生產(chǎn)還是化學(xué)合成生產(chǎn)，目前還很難達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模，不能滿足市場(chǎng)的需求[30]。
當(dāng)然，隨著對(duì)抗菌肽研究了解的逐步深入，上述問題最終也將找到合理的解決辦法，而抗菌肽作為新型的綠色飼料添加劑必將在畜禽生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用。