抗菌肽的生物合成及在功能纺织品中的应用
文献引用格式:江培东,薛涛,乌佳伟.抗菌肽的生物合成及在功能纺织品中的应用[J].纺织科技进展,2025,47(8):23-27.
抗菌肽的生物合成及在功能纺织品中的应用
江培东1,薛 涛1,乌佳伟2
(1.西安工程大学纺织科学与工程学院,西安710048;2.西北大学医学院,西安710069)
基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(2023-JC-QN-0824);陕西省科技厅重点研发计划(2020GY-312)
第一作者:江培东(2001—),男,硕士,研究方向为新型纺织技术加工与应用。
摘 要:从抗菌肽的生物合成技术在抑菌纺织品应用这一角度出发,详述抗菌肽的来源和抗菌原理、抗菌肽的生物合成及生物表达系统、抗菌肽的分子设计与合成生物学改造策略,提出抗菌肽在功能纺织品中的应用思路,以及纺丝方法对纺织品抑菌整理的优势,并对纺织品抑菌材料的应用进行总结。
关键词:功能纺织品;抗菌肽;抑菌性;抑菌整理
经过新型冠状病毒感染,人们对于自身健康安全投入了更多关注,对纺织品的卫生安全性有了更高的要求,抑菌纺织品具有良好的发展趋势,在帮助国家及社会提高公共卫生安全和降低传染病的传播方面具有重要的意义。抗菌肽(AMP)是一类具有抗细菌、真菌、寄生虫、病毒等生物活性的寡肽[1-3]。由于多肽本身带有足够的正电性和疏水性,在静电作用下,抗菌肽可以与带负电荷的生物被膜相结合,从而导致细胞的损伤和死亡[4]。区别于传统抗生素的单靶标杀菌机制,抗菌肽可对病原菌进行多靶点杀伤,大幅降低耐药菌数量[5]。抗菌肽具有广谱的抑菌作用,是未来抑菌的首选药物[6]。因此,将抗菌肽与纺织材料复合,可使其具有优异的抑菌性能,其抑菌机理如图1所示。
1 抗菌肽来源和抗性原理
1.1 抗菌肽的来源
从美国蚕蛹处分离出抗菌肽以来,已有3791种抗菌肽从微生物、植物、无脊椎动物、鱼、两栖、爬虫、鸟类、哺乳动物等中分离出来。在抗菌肽的种类中,动物抗菌肽的来源最为丰富。
1.2 抗菌肽的抗性原理
植物为了抵御病原体和食草动物产生的蛋白质化合物叫做植物源抗菌肽[7],作为一种天然免疫组分,是植物抵御病原菌侵袭的首要防御机制[8]。如图2所示,已有的研究表明,植物来源的抗菌肽有Hevein [9-10]、Knottin[11-12]、α-Hairpinin[13]、Snakins[14]等。另外,还有大量的其他氨基酸来源的抗微生物多肽[15]。微生物来源的多样性决定了微生物抗菌肽的多样性,其中微生物抗菌肽主要来源于细菌,也有少部分来源于真菌。
与其他抗菌肽相比,以人源性抗菌肽为基础的研究最为广泛[16],又以人源性抗菌肽的研究最多[17-19]。目前,大多数抗菌肽以细菌细胞膜为靶标,并不具有专一性。阳离子抗菌肽是以带电的细胞膜组分为靶点,利用其强疏水两亲性结构,提高细胞膜通透性,打破细胞内稳态,使细胞膜溶解,胞内物质释放,发挥抑菌或其他抗菌作用[20]。阴离子型抗菌肽的作用机制目前还不清楚,虽然其机制与阳离子型的差异较大,但也存在相似的现象。
大多数抗菌肽除了抑菌以外,还表现出抗真菌、病毒、寄生虫和肿瘤细胞的活性。有些抗菌肽通过破坏或阻断霉菌细胞壁的合成来杀灭霉菌。此外,还发现了一种抗菌药物,主要通过直接干预胞内大分子的生物合成,使其失去对真菌的抑制。抗病毒抗菌肽的作用是破坏病毒,抑制病毒与细胞膜的融合,抑制病毒的复制[21]。抗寄生虫类抗菌肽的抗性机制,现在尚未明确,但目前发现,少数抗菌肽可以通过膜溶解机制将寄生虫杀死[22]。
2 抗菌肽的生物合成及生物表达系统
目前,以特定的氨基酸序列为基础的人工合成抗菌肽已成为研究热点。动、植物及微效制剂调控成骨前体细胞成骨分化,并能有效地抑制病原微生物,增强其生物活性。
2.1 利用原核表达系统生物合成抗菌肽
大肠杆菌生长迅速,成本低廉,生物学背景清晰。抗菌肽类化合物是一种重要的抗生素,近年来随着科技的发展,研究人员开始将基因工程技术应用于抗菌肽类化合物的生物合成,以提高其产量和质量,这是第一次将基因工程技术应用于抗菌肽类化合物的生物合成。研究人员利用转基因技术将抗菌肽类化合物的基因转入大肠杆菌,并在大肠杆菌中进行表达,以获得具有抗菌活性的抗菌肽。此外,研究人员还利用基因工程技术构建了多个具有抗菌活性的抗菌肽基因文库,以提高其产量和质量。通过这一创新技术,研究人员成功地实现了抗菌肽的生物合成,为药物研发提供了有力支持。最常用的大肠杆菌为E.coliBL21(DE3)菌株[23],大肠杆菌常用的表达载体为pET、pGEX等。
抗菌肽系统合成的另一种常用表达方式为枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)[24]。与大肠杆菌相比,B.subtilis表达系统的优势在于方便收集、分离和纯化目标蛋白,利用该系统表达可直接将抗菌肽分泌于细胞外。然而,该体系也有一些缺点,如分泌型蛋白酶产物易降解、产率低,且分泌型抗菌肽对宿主有潜在的杀伤作用。抗菌肽Cathelicidin-BF、T9W、Cecropin AD、CiMAM 等已在枯草芽孢杆菌中得到了很好的抑制作用。目前,这一技术已被广泛应用于植物病害的防治中,但在人类健康方面的应用还很少。
然而,目前已报道的多种抗菌肽均存在以下问题:①大多数抗菌肽对宿主具有广谱杀灭作用。②大部分抗微生物肽带正电荷,可能会被内源性蛋白酶分解,但这种现象可以用蛋白质融合的方法加以解决[25]。
2.2 利用真核表达系统生物合成抗菌肽
在真核表达体系中,pPICZa、pPIC9K、pGAPZa、pPIC9K、pGAPZa、毕赤酵母、莱茵衣藻等,获得了良好的表达效果。酵母表达体系不仅保留了抗菌肽产物毒性小、活性高、易于分离等优点,还能促进抗菌肽的表面组装,并能通过翻译后修饰(如促进二硫键形成、O-糖基化、N-糖基化等)。但是,该技术也有一定的局限性,如生长速度慢、产率低等。此外,部分抗菌肽(如蜂毒肽)还会对宿主菌株产生抑制作用。
3 抗菌肽的分子设计与合成生物学改造策略
微生物可以合成天然抗菌肽,但目前存在产率低、宿主毒性大、抗性低等问题,而一些抗菌多肽由于溶血性强而难以推广。该项目拟在前期工作基础上,以革兰氏阴性菌多肽Chensinin-1为研究对象,将其序列中的Gly替换为Trp,或提高Trp在原肽中的比例,从而提高其对革兰氏阴性菌抗性。对抗菌肽LGR16的亲疏水性进行再设计,以调控其溶血能力及耐药性[26]。
随着合成生物学技术的发展,以及人工智能技术的快速发展,构建相应的预测算法,寻找与之关联的特征与规律,将其应用于抗菌肽的计算机分析与学习,并将其扩展到对未知抗菌肽的预测与精确设计,从而为抗菌肽的升级提供新思路。研究人员在前期工作基础上,以α-螺旋型抗菌肽为研究对象,以其理化特性为基础,构建了一种全新的α-螺旋型抗菌肽[27]。
4 抗菌肽在功能纺织品中的应用
4.1 抑菌剂的分类及抑菌机制
纺织品用整理剂,如图3所示,需要满足以下要求:①抑菌效果良好,对多菌种具有抑制生长作用,具有广泛性;②抑菌剂和整理剂对人类和生态均无不良影响,符合生物相容性;③抑菌剂能够支撑长时间使用,并且具有良好的耐洗性;④经过抑菌整理之后,织物和纤维原有的物理性质基本不受影响,不会对织物的外观和结构造成不利的影响[28]。
4.2 纺织品抑菌材料的制备方法
抗菌纺织品的制备方法主要有5种:第一种是直接纺丝法,由具有优良抑菌性能的天然纤维直接纺丝而成;二是共轭纺丝法,将抑菌材料与纺丝液进行混合,制备抑菌纤维,再对其进行处理,得到抑菌纤维;三是复合纺丝法,将抗菌高分子与其他高分子材料进行组合纺丝,制备皮芯型、并列型、镶嵌型、空心多心型等多种抗菌纤维;四是表面改性法,即对纤维、织物进行物理、化学处理,激发其活性,再将抑菌性组分导入纤维或织物中;五是后整理法,将抗菌物质按图4所示的方法,对织物进行后整理,制得抗菌织物。
4.2.1 直接纺丝法
天然抑菌纤维,由天然抑菌高聚物通过合适的纺丝方法制备得到,具有持久的抑菌性能、耐洗涤性能好,而且安全性好。但是大多数天然抑菌纤维的抑菌性能有限,主要是受到原材料抑菌性能的影响。
4.2.2 共轭纺丝法
将纺丝高聚物与抑菌材料、分散剂等添加剂进行共混,生产抑菌纤维,可在生产过程中通过溶液纺丝或熔融纺丝法来进行生产。这种制备方法称为共轭纺丝法,该制备工艺简单,加工方便,但对抑菌材料的要求很高,如溶液纺时,抑菌物质不易溶解,熔体纺丝中抑菌材料颗粒尺寸要小,若粒径太大,则会造成纤维的机械性能降低。在制备工艺上,对抗菌剂与高分子纤维的相容性提出了更高的要求,抑菌材料还需具有良好的分散性能。在熔体纺丝过程中,大部分聚合物的纺丝温度在250~300 ℃之间,因此,采用共轭纺丝方法制备抑菌纤维,需要抗菌物质具有更好的耐热能力。
4.2.3 复合纺丝法
复合纺丝法是将具有抑菌性能的纤维与其他纤维通过复合纺丝组件进行纺丝,制备出具有不同组分的纤维。此工艺不需要抑菌物质,不会对基体的机械性能造成影响,但其制备成本高,对喷丝板的要求也高。
4.2.4 表面改性法
表面改性法是指通过化学、物理等手段在纤维/织物表面引入新的功能基团或活性位,再通过化学反应在其表面嫁接抗菌材料。其优点是抗菌效果好、抑菌时间长、杀菌性能好、安全可靠,但缺点是可供选择的抑制物质种类少、处理条件苛刻、生产成本高。
4.2.5 后整理法
织物的抑菌改性以后整理为主,也就是用含有抑菌物质的溶液或树脂,经过表面涂层、浸渍烘干或浸轧烘干等工艺对织物进行处理,再通过烘烤等手段将抗菌物质挥发至织物表面,也可将抑菌整理剂与其他功能整理剂或染浴剂结合起来。这种方法具有工艺简便、应用广泛等优点。但现有的抑菌材料大多附着在织物表面,不易清洗,初始抑菌物质溶解迅速,应用安全隐患较大。涂料处理也有一些问题,如织物的硬度和织物的款式变化。
5 纺丝方法对纺织品抑菌整理的优势
利用纺丝法制备的抗菌材料,由于抑菌组分可以均匀地分布于纤维内部,因此可以实现从内到外的缓慢释放,达到长效、稳定的抑制作用。但目前的抑菌剂种类繁多,稳定性差,与其他高分子材料的相容性较差,致使抑菌剂种类较少,制约了抑菌剂的发展。利用表面修饰技术制备抑菌材料,其优势是:通过加入抑菌组分,在保持基材原有性质的基础上,将抑菌组分牢固结合于基材表面,降低生产能耗。但是,该方法的缺陷也比较明显:反应难以控制,成本高,对设备要求高。后整理技术是将功能性聚合物材料经过合适的工艺处理,与基质材料复合,形成具有特定功能的聚合物复合材料。与其他工艺相比,后整理工艺具有操作简单、适用范围广的特点。但是,该技术也有一些不足之处:涂层法成本高,稳定性差,结合强度低;浸泡、干燥、浸轧干燥的方法,加工过程较为繁琐,影响因素较多,对织物的手感、强度、拉伸性能都有不同程度的影响。
6 纺织品抑菌材料的应用
6.1 服装和家用纺织材料
近年来,随着新型冠状病毒的爆发,人们对抗菌材料的需求日益增加,同时,对环境友好、有抑菌作用的纺织品的需求量也在不断增加,以降低其对环境的污染。目前,抗菌纺织品的生产可分为2类:第一类是在纺丝过程中加入抑菌剂,第二类是在织物表面进行修饰,以获得抗菌性能良好的抑菌纺织品。抑菌纤维织物在许多领域得到了广泛使用,包括家用纺织品、服装以及个体防护用品,如图5所示。
6.2 生物医疗材料
在生物医学领域中,如图6所示,抑菌材料的使用主要在2个方面:一是对医学材料引起的感染进行抑制;二是能有效抑制创面的感染,促进创面的愈合。在当代医疗领域,医疗材料越来越多地应用于诸如髋关节、导管、人造心瓣等外伤、肿瘤手术或损伤后的身体部位。
6.3 食品包装材料
将抗菌物质用于食品包装膜(图7),不仅能够提高食品的安全性,而且能够避免在加工、运输期间对食物造成的污染,延长产品的货架期,降低损耗,具有显著的经济和环保效益。此外,有些病毒具有很强的生命力,能够在外包装上停留几天,也有可能经由运送到达消费者手中,从而造成病毒的扩散。所以,在食品包装中使用抗菌材料具有十分重要的意义。
6.4 家电建材
在人民消费水平越来越高的同时,他们对生活质量的要求也越来越高,从冰箱、洗衣机、空调、墙纸、饮水管材到卫生间设施都可以看到抑菌材料的身影。在装饰用品中添加抗菌物质,或利用纳米科技,可以达到抑菌效果。家用电器建材中应用的抑菌材料,根据材料的不同,可以分为抑菌塑料、抑菌不锈钢、抑菌玻璃、抑菌陶瓷等。
7 结束语
抗菌材料在纺织领域的应用日益受到关注,抑菌织物的作用日益凸显。抗菌织物的研发与选用,从单纯抑制细菌的角度出发,更加注重对人体安全以及对自然环境的保护,抑菌织物的研发也朝着绿色、环保、安全的方向发展。新的抑菌剂及复合抑菌剂的应用,使得抑菌材料的研发与应用具有1+1>2的抑菌效果,能够更有效地抑制细菌。目前的抑菌剂还存在一些不足,通过对新型抑菌材料和抑菌剂的创新性研究,将推动抑菌织物的开发,实现功能性、舒适性和安全性的有机统一。
参考文献:
[1] GONGT,FUJ,SHILX,etal.Antimicrobialpeptidesinguthealth:Areview[J].FrontiersinNutrition,2021,8:751010.[2] PENG H,YANG N,TENGD,etal.Areviewontheuseofantimicrobialpeptidestocombatporcineviruses[J].Antibiotics,2020,9(11):801.
[3] MONTALVOG,VANDENBERGHEL,SOCCOLVT,etal.Theantihypertensive,antimicrobialandanticancerpeptidesfrom arthrospira withtherapeuticpotential:Aminireview[J].Current Molecular Medicine,2020,20
(8):593-606.
[4] VINEETH KUMAR T V,SANIL G.Areviewofthemechanismofactionofamphibianantimicrobialpeptidesfocusingonpeptide-membraneinteractionand membranecurvature[J].CurrentProtein & PeptideScience,2017,18(12):1263-1272.
[5] LEEJK,LUCHIAN T,PARK Y.Newantimicrobialpeptidekillsdrug-resistantpathogenswithoutdetectableresistance[J].Oncotarget,2018,9(21):15616-15634.
[6] ZHANGQY,YANZB,MENGY M,etal.Antimicrobialpeptides:Mechanism ofaction,activityandclinicalpotential[J].MilitaryMedicalResearch,2021,8(1):48.
[7] FOXJL.Antimicrobialpeptidesstageacomeback[J].NatureBiotechnology,2013,31(5):379-382.
[8] PASUPULETIM,SCHMIDTCHEN A,MALMSTENM.Antimicrobialpeptides:Keycomponentsoftheinnateimmunesystem[J].CriticalReviewsin Biotechnology,2012,32(2):143-171.
[9] SLAVOKHOTOVA A A,NAUMANN T A,PRICENPJ,etal.Novelmodeofactionofplantdefensepeptideshevein-like antimicrobial peptides from wheat inhibitfungalmetalloproteases[J].FEBSJournal,2014,281
(20):4754-4764.
[10]SIEBERT HC,VONDERLIETH C W,KAPTEINR,etal.Roleofaromaticaminoacidsincarbohydratebindingofplantlectins:Laserphotochemicallyinduceddynamicnuclearpolarizationstudyofheveindomain-containinglectins[J].Proteins,1997,28(2):268-284.
[11]GAOG H,LIU W,DAIJX,etal.SolutionstructureofPAFP-S:Anewknottin-typeantifungalpeptidefromtheseedsofPhytolaccaamericana [J].Biochemistry,2001,40(37):10973-10978.
[12]JONESP M,GEORGEA M.ComputationalanalysisoftheMCoTI-IIplantdefenceknottinrevealsanovelintermediateconformationthatfacilitatestrypsinbinding[J].ScientificReports,2016,6:23174.
[13]SLAVOKHOTOVA A A,ROGOZHIN E A.Defensepeptidesfrom theα-hairpininfamilyarecomponentsofplantinnateimmunity[J].Frontiersin PlantScience,2020,11:465.
[14]SUT,HAN M,CAOD,etal.Molecularandbiologicalpropertiesofsnakins:Theforemostcysteine-richplanthostdefense peptides[J].Journalof Fungi,2020,6(4):220.
[15]HOSKIN D W,RAMAMOORTHY A.Studiesonanticanceractivitiesofantimicrobialpeptides[J].BiochimicaetBiophysica Acta (BBA)-Biomembranes,2008,1778(2):357-375.
[16]GANZT,SELSTED M E,LEHRERRI.Defensins[J].EuropeanJournalofHaematology,2009,44(1):1-8.
[17]GREER A,ZENOBIA C,DARVEAU R P.DefensinsandLL-37:Areviewoffunctioninthegingivalepithelium[J].Periodontology2000,2013,63(1):67-79.
[18]DHOPLE V,KRUKEMEYER A,RAMAMOORTHYA.Thehumanbeta-defensin-3,anantibacterialpeptidewithmultiplebiologicalfunctions[J].BiochimicaetBiophysicaActa (BBA)-Biomembranes,2006,1758(9):
1499-1512.
[19]BATONIG,MAISETTA G,ESINS,etal.Humanbeta-defensin-3:Apromisingantimicrobialpeptide[J].MiniReviewsinMedicinalChemistry,2006,6(10):1063-1073.
[20]HALEJD,HANCOCKRE.Alternativemechanismsofactionofcationicantimicrobialpeptidesonbacteria[J].ExpertReviewofAnti-InfectiveTherapy,2007,5(6):951-959.
[21]JUNGY,KONGB,MOONS,etal.Envelope-deformingantiviralpeptidederivedfrominfluenzavirus M2protein[J].BiochemicalandBiophysicalResearchCommunications,2019,517(3):507-512.
[22]RAJAZ,ANDRÉS,ABBASSIF,etal.Insightintothemechanismofactionoftemporin-SHa,anewbroad-spectrumantiparasiticandantibacterialagent[J].PLoSOne,2017,12(3):e0174024.
[23]SINHA R,SHUKLAP.Antimicrobialpeptides:Recentinsightsonbiotechnologicalinterventionsandfutureperspectives[J].ProteinandPeptideLetters,2019,26(2):79-87.
[24]CHENX,ZHUFM,CAOYH,etal.Novelexpressionvectorforsecretionofcecropin ADinBacillussubtiliswithenhancedantimicrobialactivity[J].AntimicrobialAgentsandChemotherapy,2009,53(9):3683-3689.
[25]ISHIDA H,NGUYENLT,GOPALR,etal.Overexpressionofantimicrobial,anticancer,andtransmembranepeptidesinEscherichiacolithroughacalmodulin-peptidefusionsystem[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2016,138(35):11318-11326.
[26]DONG W B,MAOX M,GUANY,etal.Antimicrobialandanti-inflammatoryactivitiesofthreechensinin-1peptidescontainingmutationofglycineandhistidineresidues[J].ScientificReports,2017,7:40228.
[27]LEEEY,FULANBM,WONGGCL,etal.Mappingmembraneactivityinundiscoveredpeptidesequencespaceusingmachinelearning[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnited Statesof America,2016,113(48):13588-13593.
[28]王荣国,王进美.纺织品抗菌剂及其整理方法[J].合成纤维,2021,50(8):24-26,37.
