2024年3月12日发(作者:通感的作用)
动物营养学报2015,27(5):1333—1340
Chinese Journal of Animal Nutrition
doi:10.3969/j.issn.1006-267x.2015.05.001
抗茵脂肽Surfactin的抗茵活性及应用
翟少伟李剑史庆超
(集美大学水产学院,鳗鲡现代产业技术教育部工程研究中心,厦门361021)
摘 要:Surfactin是枯草芽孢杆菌属不同菌株代谢产生的一种抗茵脂肽,不仅能抑制多种革兰
氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌等病原茵,而且还具有抗病毒、抗支原体、抗原虫等活性,是潜在
的抗生素理想替代品之一。本文对抗菌脂肽Surfactin的结构、理化性质、抗菌机制及应用研究
进展进行了综述,为Surfactin的进一步研究和应用提供参考。
关键词:抗菌脂肽Surfactin;枯草芽孢杆菌;抗菌机制
中图分类号:¥816.7 文献标识码:A 文章编号:1006—267X(2015)05-1333—08
抗生素的发现为预防病菌感染、治疗动物疾
有抗菌作用,而且对病毒、支原体和原虫等也具有
病、促进养殖业的快速发展做出了巨大贡献。但
显著的抑制效果 。作为一种优良的新型抗菌物
滥用抗生素导致越来越多的耐药菌株的出现和药
质,Surfactin在医药、动物养殖、农业生防和食品保
物残留等问题日趋严重,对人类和动物的健康构
鲜等领域具有广阔的应用前景。
成了严重威胁 J。寻找安全环保、无耐药性、无残
留的抗生素替代品亟待解决。研究发现,由昆虫、
1 Surfactin的结构和理化性质
动植物或微生物等基因编码合成以及人工合成的
Surfactin最早由Arima等 于1968年在枯草
抗菌肽(antimicrobial peptides,AMPs)具有广谱抗
芽抱杆菌(Bacillus subtilis)IFO 3039发酵液中发
菌活性,不易产生耐药性,是潜在的抗生素理想替
现。Kakinuma等 之后对Surfactin的分子结构进
代品之一 J。但从昆虫和动植物中提取AMPs
行了报道,阐明了Surfactin由1个手性序列为LL-
工艺复杂、含量极低使AMPs应用受到了极大的
DLLDL的七肽和1个含13到l5个碳原子的 一
限制。研究者尝试通过基因重组表达等方法提高
羟基脂肪酸构成。Surfactin长脂肪酸链及肽链上
AMPs产量,但由于AMPs易受蛋白酶的攻击,且
的L一亮氨酸2(L—Leu2)、D一亮氨酸3(D—Leu3)、L一
表达产物往往对宿主细胞有毒性而进展缓慢;此
缬氨酸 (L—Val )、D一亮氨酸 (D-Leu )、L一亮氨
外,人工合成或者重组表达生产的AMPs在应用
酸 (L—Leu )构成其亲油基团,环链骨架与L一谷氨
中可能存在安全问题不容忽视 。微生物代谢产
酸 (L—Glu )和L一天冬氨酸 (L—Asp )2个酸性氨
生的AMPs,如芽孢杆菌脂肽、乳球菌肽、杆菌肽和
基酸残基构成亲水基团【lo 3。Bonmatin等_l 运用
细菌素等与昆虫和动植物源AMPs相比,具有高
高分辨核磁共振氢谱结合分子动力学技术确定了
效抗菌优势 ,成为近年研究热点。Surfactin是芽
SurNcdn的三维结构。Surfactin在水溶液中呈马
孢杆菌属不同菌株代谢产生的一种脂肽,是研究
鞍型,位于同侧的氨基酸残基L—Leu 和D.Leu 彼
较为深入的微生物源AMPs之一 。研究表明,
此面对,2个酸性氨基酸L—Glu 和L—Asp 构成了
Surfactin具有广谱高效的抗菌活性,不仅对革兰氏
一
个较小的极性结构域,具有轻微的亲水能力。
阳性菌、革兰氏阴性菌、霉菌等多种细菌或真菌具
在另一侧,氨基酸残基D—Leu。、L—Val4和L—Leu 与
收稿日期:2014—12—05
基金项目:科技部“十二五”农村领域国家科技计划项目“功能性肽产品的创制与应用”(2013BAD10B03)
作者简介:翟少伟(1973一),男,河北晋州人,副教授,硕士生导师,博士,研究方向为动物营养与饲料资源开发。E.mail:shaoweizhai@163
com
动物营养学报
脂肪酸链构成主要的疏水结构域_l 。
两亲性化学结构使Surfactin表现出良好的表
面活性和稳定性,仅需0.005%或更低浓度的
现出良好的抗菌效果。
近来研究发现,Surfactin还能有效对抗疱疹病
毒(Herpes simplex virus) 、塞姆利基森林病毒
(Semliki forest virus) 、猪细小病毒(Porcine P
Surfactin ̄p可将双蒸水的表面张力从72 mN/m降
至27 mN/m,其效果甚至优于十二烷基硫酸钠 。
Surfactin的临界胶束浓度约为1×10一mol/L,远低
arvovirus)、伪狂犬病毒(Pseudorabies virus)、新城
疫病毒(Newcastle disease virus) 等多种病毒。
此外,Surfactin对衣原体 、鸡柔嫩艾美耳球虫
(Eimeria ,zP ) 也具有显著的抑制作用。综
于许多化学合成的表面活性剂 。枯草芽孢杆菌
SCUT09发酵产物中提取的脂肽Surfactin耐盐度
高达21%,121℃高温处理2 h后的表面活性和乳
上所述,Surfacifn具有广谱高效的抗菌活性,作为
化能力仍保持稳定 。Hwang等_l 和孙力军
等 副对Surfacrin的生理毒性研究显示,Surfactin
小鼠口服半致死剂量(LD 。)分别超过2 500和
5 000 mg/kg,急性毒性属实际低毒或无毒级,表
明Suffactin具有较高的安全性。其在畜禽及水产
动物饲料中的安全剂量尚未见报道,还有待于进
一
步研究。
2 Surfactin的抗菌活性
研究表明,Surfactin对革兰氏阳性菌、革兰氏
阴性菌、真菌以及微浆菌等均具有较强的抑制作
用。Gomaa【16]研究发现,从地衣芽孢杆菌(Bacil-
lus licheniformis)M104中分离出的Surfactin对蜡
样芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis)、苏云金芽孢杆
菌(Bacillus thuringiensis)、金黄色葡萄球菌(Staph-
ylococcus aureus)以及李斯特菌(Listeria monocyto-
genes)等革兰氏阳性菌和大肠杆菌(Escherichia
coli)、绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa)、伤寒性
沙门氏菌(Salmonella typhimurium)以及变形杆菌
(Proteus vulgaris)等革兰氏阴性菌和酵母菌(Can—
dida albicans)均具有明显的抑菌作用。此外,Sur—
factin对哈威式弧菌(Vibro harveyi)、鳗弧菌( 一
bro anguillarum) 、溶藻弧菌(Vibrio alginolytic—
US) 引、产气单胞菌(Aeromonas hydrophila) 和
核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum) 等常见病原菌
都具有温和的抑制效果。微浆菌能引起许多疾
病,在后天免疫缺乏症候群疾病的过程中扮演着
一
个重要的角色。微浆菌没有细胞壁,其细胞膜
主要由3层脂膜和固醇组成,在哺乳动物细胞培
养过程中,细胞遭受到微浆菌感染的同时加入
Surfactin,可使受感染的细胞恢复到未感染的细胞
形态,并且不会对细胞产生毒性 。Hwang等
报道,给感染细菌败血症的老鼠注射Surfactin,其
血液中的细菌数量约为未注射的老鼠的1/400,表
抗菌药物研究与开发极具潜力。
3 Surfactin的抗茵机制
目前,Surfactin抗菌的具体机制尚不明确,普
遍认为Surfactin的抗菌活性与其理化性质密切相
关。很多学者试图通过提出不同假说,建立相关
模型及开展试验来解释Surfactin的抗菌作用进
程。鉴于Surfactin抗菌过程的复杂性,目前尚不
明确其是通过哪一种途径或者多种途径共同作用
而发挥抗菌效果。
3.1 攻击病原菌细胞膜,造成膜崩解或渗透压
失衡
研究表明,Surfactin对病原菌作用的细胞靶位
点是细胞膜 。目前,关于Surfactin与微生物的
细胞膜之间的作用机制主要有以下2种假说:1)
去垢剂假说,Sur ̄cfin将带负电的肽环伸入水相,
将其非极性的脂肪酸链插入到细胞膜磷脂分子
层,达到一定浓度时,会产生类去垢剂的效应,使
细胞膜产生裂缝并分离,胞内物质外泄,最终引起
细胞生长受到抑制或死亡 。 。Deleu等 以二
油酰基磷脂酰胆碱(dioleoyl phosphatidylcho1ine,
DOPC)作为流动相,二油酰基磷脂酰胆碱(di—
palmitoyl phosphatidylcholine,DPPC)作为凝胶相
模拟细胞膜结构,研究Surfactin对膜脂质相分离
作用表明,Surfactin的浓度起着至关重要的影响。
当Surfactin的浓度低于临界微团浓度(CMC)时,
Surfactin插入到膜的凝胶相和液体脂质结构域的
边界处,这时Surfactin发挥类似胆固醇的作用,增
强各相之间的范德华力,促进液相膜的流动。该
阶段脂质体大小并没有受到影响,但膜内的降钙
素会发生释放。随着Surfactin浓度的增加,接近
至CMC时,DOPC立即发生溶解,由于Surfactin
的选择作用,大部分DOPC分子被Surfactin溶解,
并形成混合胶束,而DPPC的结构并不会受到影
5期 翟少伟等:抗菌脂肽Surfactin的抗菌活性及应用
响。当浓度高于CMC后,Surfactin发挥其明显的
增溶作用,DOPC和DPPC分子都被溶解形成混合
胶束,使膜的大小的通透性发生变化。2)孔洞假
说,该假说将Surfactin与生物膜作用简要分为3
个过程。。 引:1)Surfactin通过与膜之间的疏水作
代谢的关键酶之一。脂肽对酶活性得不同程度的
影响表明其能够通过影响酶的活性来改变细胞的
代谢。此外,脂肽还能够抑制点青霉对糖类及蛋
白质利用,导致点青霉生长受阻 姐 。
用力插入膜表面;2)由于Surfactin带负电荷的氨
基酸和脂质头部产生电荷相互排斥,造成膜弯曲;
3)膜体极不稳定而产生类似胶束的结构造成膜崩
解。添加低浓度的Surfactin时其会和微浆菌的细
4 Surfactin应用的研究进展
4.1 医药领域中的应用
抗生素的滥用导致细菌耐药性问题的出现已
经逐渐成为医学界迫在眉睫的难题,可代替抗生
胞膜结合,造成膜上孔洞的发生进而造成膜内外
渗透压失衡使细菌死亡,而添加高浓度的Surfactin
则会导致微浆菌整个细胞膜瓦解。。 。然而相同浓
度的Surfactin并不会对哺乳动物细胞造成影响,
其原因可能是微浆菌细胞膜上的胆固醇含量比哺
乳动物细胞高20%~30%,而且微浆菌细胞膜上磷
脂酰胆碱、磷脂酰甘油和磷脂酰乙醇胺等磷脂质
的比例也较高。高比例的胆固醇及磷脂质可能导
致其对于Surfactin的感受性高于哺乳动物细胞,
从而Surfactin能选择性的作用于微浆菌的细
胞膜 。 。
3.2抑制蛋白质合成。干扰病原菌繁殖
Brogden_3刮和Gueguen等_3 认为脂肽可与病
原菌染色体DNA发生相互作用,导致DNA的复
制、转录、表达功能受抑制,影响细菌蛋白质的合
成,进而导致病原菌繁殖受阻。但研究纳豆菌脂
肽(活性成分为Surfactin、Imrin和Fengycin)对金
黄色葡萄球菌 和副溶血弧菌(Vibrio parahemo—
lyticus) 抑菌试验发现,抗菌脂肽虽然能与金黄
色葡萄球菌和副溶血弧菌的DNA体外结合,使
DNA最大吸收峰发生了轻微的蓝移,并产生增色
效应,但纳豆菌脂肽并不能抑制所有蛋白质的合
成,而纳豆菌脂肽进入细胞后,能否到达细胞核和
细菌染色体DNA发生作用,还需进一步研究。
3.3抑制酶的活性。影响细胞正常代谢
Huang等 。“研究发现,枯草芽孢杆菌fmbJ所
产脂肽(活性成分Surfactin和Iturin)可抑制点青
霉(Penicillium notatum)菌丝体细胞内琥珀酸脱氢
酶(succinate dehydrogenase,SDH)和苹果酸脱氢
酶(malate dehydrogenase,MDH)活性,并且随着脂
肽浓度的增加对酶活性的抑制作用逐渐增强。
SDH参与细胞的能量代谢,是连接氧化磷酸化与
电子传递的枢纽之一。MDH可以催化苹果酸与
草酰乙酸间的可逆转换,是参与细胞的生物合成
素的新药物的开发势在必行 。Surfactin特殊的
两亲型结构,能够与细菌细胞膜结合并将其非极
性端插入到细胞膜的疏水孔中,破坏细胞的完整
性,干扰细胞正常代谢从而起到抑菌作用 。研
究表明,Surfactin在临床上能有效对抗粪产碱菌
(Alcaligenesfaecalis)、变形杆菌、绿脓杆菌、大肠杆
菌和金黄色葡萄球菌等耐药菌 ;Surfactin可抑
制鼠细胞脂多糖(1ipopolysaccharides,LPS)介导生
成的炎症介质,如肿瘤坏死因子o【(TNF—o【)、白细
胞介素1(IL一1)、白细胞介素6(IL一6)和一氧化氮
合酶,减缓由LPS引起的真核细胞感染 。近年
来,Surfactin在抗病毒制剂 、抗肿瘤制剂 、溶
血栓制剂 、口服免疫佐剂 、乙肝疫苗 以及
糖尿病治疗 。。等方面中的应用研究也取得了突
破,Surfactin在医药领域中扮演着越来越重要的
角色。
4.2动物养殖中的应用
抗生素类促生长添加剂在动物养殖过程中长
期使用会导致其耐药性、药物残留和环境污染等
问题,探寻新型抗菌药物越来越受到重视。Sur—
factin具有独特杀菌机制和抗菌广谱性,且病原菌
不易对Surfactin产生耐药性,正逐渐进入人们的
视野。一方面,Surfactin具有较好的热稳定性和化
学稳定性,不仅在加工过程中能有效防治病原菌
对原料的感染,而且能保证其经过加工之后,仍然
保持较高的抗菌活性;另一方面,Surfactin分子质
量较小,经动物食用后进人肠道可以有效抑制体
内病原微生物的生长繁殖,调节肠道菌群平衡,并
不易产生耐药性和残留 。近年来,关于Surfac.
tin在动物养殖中应用的报道日益增多。由于抗菌
脂肽Surfactin可导致嗜水气单胞菌细胞膜通透性
增加,使细胞内一些离子以及大分子的蛋白质和
核酸泄漏到细胞外,从而引起细胞的死亡,其被认
为可用于嗜水气单胞菌感染引起的水生动物疾病
1336 动物营养学报
预防和控制 。研究表明,点带石斑鱼(Epineph.
elus coioides)饲料中添加20 mg/kg Surfactin可增
4.4食品加工和保鲜中的应用
食品加工过程中,Surfactin可促进脂肪乳化,
强鱼体免疫力以对抗溶藻弧菌等病原菌的感
染 ;诱导石斑鱼AMPs、干扰素诱导蛋白和黏病
毒抗性蛋白等先天型免疫基因的表达,显著提高
增重率;降低感染神经坏死病毒(Necrosis cirus)和
虹彩病毒(Irido virus)石斑鱼的死亡率 。史庆
控制脂肪聚集,有利于食品的加工,并保持食品的
质地和口感 。Surfactin的抗菌活性能有效控制
食品中有害微生物的滋生,可作为生物防腐剂应
用在食品防腐保鲜领域 。研究表明,Surfactin
可有效抑制乳中大肠杆菌0157,延长乳保质
期 ;纳豆菌抗菌肽APNT一6(活性成分为Surfac—
tin、Fengycin和Imrin)可减缓凡纳滨对虾贮藏过程
超等 在吉富罗非鱼饲料中添加12.5 mg/kg的
抗菌脂肽Surfactin即可显著提高增重率、肠道脂
肪酶和蛋白酶的活性。石广举等 发现,在凡纳
滨对虾饲料中添加100 mg/kg NT一6抗菌脂肽(活
性成分为Surfactin、Fengycin和Imrin同系物)可抑
制水体和虾体中弧菌的生长,提高对虾增重率和
特定生长率。饲料中添加4 000 U/kg抗菌脂肽
(活性成分为Surfactin、Fengycin及其同系物),可
对艾拔益加(AA)肉鸡的生长发育和免疫机能具
有较好的调节和促进作用 ,还能提高抗氧化机
能和促进蛋白质的代谢 ;提高断奶仔猪生长性
能,抑制仔猪断奶应激造成的腹泻和肠道有害微
生物,但对有益微生物也有一定的抑制作用,有效
调节血液激素水平和某些生化指标,提高机体对
脂类的转化利用能力和蛋白质的沉积能力 。研
究表明,断奶仔猪饲料中添加150 mg/kg抗菌脂
肽替代75 mg/kg金霉素,可促进采食,提高日增
重,显著改善饲料报酬,并显著降低腹泻率[5 ;
Surfactin与枯草芽孢杆菌联用也可以促进断奶仔
猪肠道内有益菌增殖,改善肠道微生态环境,提高
机体全身的免疫应答反应 。随着更多关于Sur—
factin在动物饲料中应用的研究,Surfactin有望成
为新型绿色抑菌促生长饲料添加剂在动物养殖中
广泛应用。
4.3农业生物防治中的应用
研究表明,Surfactin对豆科作物灰霉病 、水
稻细菌性条斑病 ¨、黄瓜枯萎病 和生菜霜霉
病_6。。等具有显著的防治效果。Waewthongrak
等 刮还发现,枯草芽孢杆菌ABS-S14发酵粗提物
(活性成分为Surfactin、Iturin A和Fengycin)可诱
导植物过氧化物酶和L一苯丙氨酸解氨酶等抗病有
关酶的活性的增强,强烈抑制绿霉菌(Penicilium
digitatum)Sacc的生长,降低柑桔类水果患病率。
Surfactin还可替代化学表面活性剂,作为分散剂、
农药助剂提高化肥和农药的使用效率 J。
中pH、挥发性盐基氮和细菌总数增加,延长2~3 d
货架期 ,Surfactin还能减缓肉制品储藏过程中
pH的上升,防止脂肪氧化,对肉制品储藏起到良
好的保鲜效果 。
4.5其他领域中的应用
Surfactin优良的表面性能使其在原油采收、环
境修复和化妆品等领域的应用也颇具优势。A1一
Wahaibi等。。 报道由枯草芽孢杆菌B30产Surfac—
tin能分别提高17%一26%轻质油采收率和3l%稠
油采收率。石油开采、运输、加工及储存过程中,
难以避免地会排人环境对土壤、水体造成污染。
加入生物表面活性剂乳化烃类和水的混合液,增
加烃类的降解是目前治理油污的有效方法之一。
Singh等¨ 以Surfactin为主要成分的脂肽生物表
面活性剂洗涤含有石油烃的土壤,去除率达
64.5%。通过利用Surfactin对重金属离子的络合
作用,提高驱除土壤中重金属的效率成为环境保
护研究中的热点之一 J。此外,Surfactin可以
改善化妆品的水洗性能,增加皮肤的光润和滑嫩
性 ,在化妆品领域中应用也极具吸引力。
5小结与展望
Surfactin优良的抗菌活性和特殊的抗菌机制
使其有望成为抗生素潜在替代品之一,在医药、动
物养殖、农业生物防治以及食品加工和保鲜等领
域具有巨大的应用价值。但目前Surfactin在生产
实践中广泛应用仍然面临着一些挑战:1)Surfactin
的抗菌机制尚不明确,关于Surfactin作用机制的
研究多为体外模型模拟,而对Surfacfin在生物体
内作用研究甚少;2)Surfactin发酵生产产量一般较
低,受其特殊的两亲性质的影响,Surfactin分离提
纯成本较高,大规模商品化生产至今还未实现,极
大限制了Surfactin的应用。因此,通过改良生产
菌株、改善发酵生产工艺和选择适合的廉价的发
5期 翟少伟等:抗菌脂肽Surfactin的抗菌活性及应用 1337
酵底物等途径提高Surfactin产量仍将是今后科研
人员重点研究课题之一;3)Surfactin在不同领域中
适宜的添加剂量有待研究,虽然毒理试验证明
Surfactin的急性毒性属实际低毒或无毒级,但过高
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Antimicrobiai Lipopeptide Surfactin:Antimicrobial
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ZHAI Shaowei LI Jian SHI Qingchao
(Fisheries College,Engineering Research Centre of Eel Modern Technical Industry of Ministry f o
Education,Jirnei University,Xiamen 361021,China)
Abstract:Surfactin is an antimicrobial lipopeptide produced by various strains of the Bacillus subtilis.In addi—
tion to the broad—spectrum antimicrobial activiies against Gram—posittive bacteria,Gram—negative bacteria and
fungi,it also has multiple biological activities including antiviral,anti—mycoplasma and antiprotozoal activities.
Surfactin may be one of the promising alternatives to antibiotics.In this paper,the research advances in chemi—
cal structure,physical characters,antimicrobial properties and applications of Surfactin were reviewed to pro—
vide reference for the furhert research and application.[Chinese Journal of Animal Nutrition,2015,27(5):
1333.1340]
Key words:antimicrobial lipopeptide surfactin;Bacillus subtilis;antimicrobial mechanism
Author,ZHAI Shaowei,associate professor,E—mail:shaoweizhai@163.coin (责任编辑王智航)
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