福州大学汪少芸教授团队顶级期刊发表「微生物源抗菌肽」重要成果- 大数跨境

食品工业科技编辑部

2023-05-22

微生物源抗菌肽在可持续农业中的生物视野

导读

近日，福州大学汪少芸教授团队在中科院工程技术1区Top期刊 Engineering (Q1，IF：12.834) 发表题为 “The Bioprospecting of Microbial-Derived Antimicrobial Peptides for Sustainable Agriculture” 的综述性论文。

病原微生物是引起动植物疾病的主要原因，需要使用传统抗生素来控制其蔓延，以满足全球巨大的食物消费需求。然而，过度使用抗生素会造成耐药性(ABR)和多药耐药性(MDR)菌株的出现，对农业的可持续发展构成了严重威胁，如从猪分离的耐多粘菌素大肠杆菌，对现有类别的抗生素均有抗性。此外，这些携带耐药基因的病原体可通过食物链传播给人类，对人类生命健康构成重大威胁。综上，人们迫切需要开发一种新型抗菌药物来应对困境。

抗菌肽(AMPs)具有广谱抗菌活性和多重作用机制，被认为是后抗生素时代极具前景的替代品，可通过发酵或酶水解的方式从植物、动物和微生物的母体蛋白中获取。微生物源AMPs与其他来源的AMPs不同之处在于微生物能够分泌大量的免疫调节分子，使它们能够在火山口、矿井和沙漠等极端环境中生存，从而产生新颖结构和活性优越的AMPs，这在一定程度上可以避免现有分子的重新发现，丰富AMPs资源库。此外，微生物源AMPs在转化应用中也取得了一定的成果，例如粘菌素、万古霉素、达托霉素和ε-聚赖氨酸已获美国食品药品监督管理局(FDA)批准上市。现已上市的微生物源AMPs主要是由非核糖体肽合成酶(NRPSs)产生的非核糖体肽(NRPs)，其应用场景广泛，使用范围可从抗生素延伸至免疫抑制剂。除少数在其他生物中发现的类似NRPS的酶（例如来自果蝇的ebony），NRPSs主要存在于微生物中。NRPs来源广泛，不仅包括土壤来源的微生物，还包括海洋、动物、植物和人类共生微生物。此外，存在于极端微生物和内生菌中NRPs均未被发现，使其成为人类、动物和植物疾病的新型抗菌药物潜力巨大。

本文总结了有关天然存在的 AMPs 的信息，包括其生物活性、抗菌机制和制备方法及其在农业生产应用中面临的挑战，以期为可持续农业体系中抗菌肽的应用提供理论指导。

结论和展望

由于耐药病原体不断增加，将AMPs作为传统抗生素替代品的呼声越来越高。与传统抗生素相比，微生物源AMPs在抑制农业生产中的动植物病原体表现出低耐药性的优势，究其原因是AMPs具有广谱抗菌活性、免疫调节活性和多靶点的作用机制。同时，微生物具有非凡的合成可塑性，可合成核糖体AMPs和NRPs，因而能够分泌多种AMPs。此外，微生物的多样性使其可在有限的空间中内生存，仅需微量的营养物质，并在各种生存环境下产生不同结构的生物分子。
AMPs在可持续农业体系应用中面临的挑战包括细胞毒性、生产成本以及肽的生物利用度和稳定性等相关问题。未来研究的重点应是克服上述局限，将AMPs转化为候选药物。
首先，通过实施更高效、经济的合成方法或开发更好的重组表达肽生产方法来降低成本。随着可控聚合技术的不断优化和模拟AMPs聚合物的不断开发，聚合物的设计和合成可能成为未来降低成本的替代方案。
其次是使用旨在避免蛋白水解破坏的策略来提高AMPs的生物利用度，如通过非自然氨基酸替代改变AMP的主序列、生成肽模拟物、肽环化和杂交构建。
此外，为提高AMPs的生物利用度，可对AMPs进行纳米载体的构建从而减少AMPs浪费和脱靶效应，并避免蛋白酶破坏。为实现进入生物肽开发管道的肽剂量的更大减少的目标，可以通过计算机辅助选择最新预测工具来筛选更高活性或更低毒性的的候选化合物。值得注意的是，交叉创新对于肽基抗菌药物的进一步优化和开发非常重要；需要多学科专家如微生物学家、药物学家和计算机科学家的共同努力来实现这一目标。尽管微生物源AMPs在农业生产的应用方面仍存在许多不足之处，但通过将其与计算机辅助技术相结合可以克服这一局限。