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【基因智慧】护航食品安全 微生物工厂如何“智造”抗生素替代品?

来源:光明网2020-09-23 10:46

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【基因智慧】护航食品安全 微生物工厂如何“智造”抗生素替代品?

  抗生素及合成抗菌药物的发明应用,在20世纪医药领域是最伟大的成就之一。人类应用抗生素及合成抗菌药物,有效地治愈了各类严重的细菌感染性疾病,卓有成效地降低了这种传染病的死亡率,进而掀起了抗菌药物的研发和应用高潮。

  抗菌药物最早利用的是抗菌的作用,后来发现它还有促生长的作用。在上世纪五十年代,在国外已开始使用。我国从上世纪七十年代开始,作为饲料添加剂使用抗生素的药物。其在蓄禽养殖方面,在很长的一段时间发挥了重大作用。它不仅能够预防动物的疾病,还能促进动物机体的生长,降低养殖成本。在很长的一段时间里,给养殖业带来了巨大的推动。但是随着抗菌药物使用的时间越来越长,细菌的耐受性也越来越强,因此在养殖过程中,抗生素的使用剂量越来越大。这造成了动物机体自身的免疫力下降,同时还会使动物机体和环境出现一些残留,最终对人体健康造成一定的危害,引起了食品安全的问题。随着我国194号文件出台以后,药物作为饲料添加剂的使用收到制约,那以后我们在百姓的餐桌上,将出现更多限抗和无抗的肉类产品,这对于老百姓的食品安全越来越好,而且通过种自然科学的种养殖方式,也可以使肉的品质和风味有进一步的提升。

【基因智慧】护航食品安全 微生物工厂如何“智造”抗生素替代品?

  我国养殖业在猪和鸡的养殖数量上在世界领先,每生产一公斤的猪肉,我们就要用到一千毫克的抗生素,用量还是很大的。这对促生长和提高饲料转化率都有了很大的提升,而且由于动物得病的几率小了,生产成本也就随之下降。在很长的一段时间,抗生素在畜禽养殖中是起到了非常重要的作用。在畜禽养殖中禁抗或者限抗是一个发展趋势,但是在前几年肯定会对养殖业造成很大的负面影响。欧盟从1986年就已经开始进行禁抗和限抗,猪的增重率就下降了10%,同时料肉比增加了8%,增加了很多的生产成本。尤其是在仔猪断奶的阶段,造成仔猪死亡率有很大幅度的提升。而我们国家因为生产规模、生产模式、散户养殖方式和养殖环境,跟欧美国家还是有很大差距,所以说造成的负面影响可能比欧美国家更加严重。我们也是非常迫切的,要找到更好的途径来消除这种负面影响。

  限抗对于百姓餐桌肉类的影响,短期时间内可能会造成价格上的波动。但实际国家发布文件的同时,企业自己也会有一个时限的准备和充分的思想准备,进行积极的筹措。无论是在管理方式上,还是在饲料配方上都在寻找新的替代品。

【基因智慧】护航食品安全 微生物工厂如何“智造”抗生素替代品?

  现在市场上出现了抗生素替代品。其中生物酶类推广是比较广泛的,比如说葡萄糖氧化酶,木聚糖酶,甘露聚糖酶,这些酶在预防疾病,包括提高饲料转化率方面都做出了贡献。还有一类就是益生菌和益生元,益生菌大家都很清楚,它在动物肠道中发挥作用,益生元比如说低聚果糖,甘露寡糖,这些都可以促进益生菌在动物肠道中大量繁殖,抑制有害菌的繁殖,促进机体的肠道健康,保证它们的健康养殖。还有就是一些植物提取物,还有一些生物类的抗菌肽,它的品种繁多。

  近年来,中国酶制剂产业发展速度迅猛,取得了明显进步。酶制剂来源于生物,一般较为安全,可按生产需要适量使用。主要用于催化生产过程中的各种化学反应,具有催化效率高、高度专一性、作用条件温和、降低能耗、减少化学污染等特点。

【基因智慧】护航食品安全 微生物工厂如何“智造”抗生素替代品?

  我们现在主要做的还是酶制剂,刚才提到的葡萄糖氧化酶,我们也经历了几年的时间,取得了一定进展,葡萄糖氧化酶可以将葡萄糖氧化成葡萄糖酸和过氧化氢。最开始它是用在食品和医药上面的,比如说当我们在测血糖的时候,用到的酶就是葡萄糖氧化酶。这几年在养殖行业发挥了越来越大的作用,也得到了养殖业的认可。它的作用是产生过氧化氢,在动物肠道中抑制有害菌的大量繁殖,从而使这些有益菌能够快速的繁殖,保护肠道的健康。第二方面,由它产生的葡萄糖酸来维持肠道的酸环境,从而减少肠道中的一些有害的气体,比如说氨、硫化氢,从而也可以使它能够更清洁。

【基因智慧】护航食品安全 微生物工厂如何“智造”抗生素替代品?

  微生物细胞工厂是我们一直在应用的领域,日常生活中很多产品都是通过微生物细胞工厂来生产。以前我们说微生物发酵,但实际上它相当于微型的工厂生产出来我们需要的一些产品。比如说我们最常用的一些食品类、酒精类、氨基酸类及一些化工产品、一些农副产品。我们以前用的微生物细胞工厂比较低级,作坊式的工厂,因为这个工厂可能只是利用微生物自身的一些特性,进行了一些初步的改良,使它能够生产一些它本身自己就能生产的东西。但是随着合成生物学和基因组编辑技术的快速发展,使我们能够把细胞工厂变成一个按照我们的需求对它进行改造加工,使它成为一条按照我们的需求设计出来的新的生产线。以后我们想生产什么,就像我们做的规范化的工厂一样,可以把这个一个个模块组装起来,组装好了以后形成一条新的生产线。我们可以生产一些原来并不能生产的一些产品,比如说一些化工产品,包括一些农副产品。特别是在现在自然资源非常紧缺的情况下,我们对于化工产品的生产,都是比较依赖于石油类的资源的,通过这种微生物智能细胞工厂的生产,可以来生产这些化工类产品,包括一些食品。

  未来,我们可以用微生物细胞工厂来生产人造肉、人造奶,也都是可以实现的。现在的细胞工厂还是处于一个局部改造的过程,并没有实现全局的整体性的改造,还是需要一个很漫长的过程,因为它涉及到了非常复杂的代谢途径和各个途径之间的相互关联和调控。那我们现在有几类产品都是可以在这一方面生产的,比如说药物类的青蒿素、紫杉醇,还有一些化工类的产品,比如说藻类来生产丁醇,类似于保健品,包括人参、皂苷,这些都是可以来生产的。当然国家在这方面的支持力度也比较大,十三五阶段设立的合成生物学和绿色制造方面的一些重大的科研专项,都会对于微生物细胞工厂的发展起到很大的推动作用。

  我们一直在做微生物的一些发酵,或者说运用微生物来生产产品。只不过这个细胞工厂是比较简陋的,小作坊式的细胞工厂。那现在我们也希望利用种合成生物学和基因组编辑的新技术来实现对它定向的改造和整合,使它变成真的类似于规模化、集约化的工厂,能够生产出更多更新的产品。

  第一步目标,先实现能够达到抗生素所起到的促生长和预防疾病的作用,因为我刚才提到的葡萄糖氧化酶,它就可以部分替代抗生素,那么比如说它结合一些益生菌或益生元组合使用,可能就可以完全替代抗生素。对于后期的发展,研制的过程中又发现了一些新的替代品,发现它可能有更好的作用,组合起来我相信最后能够超越抗生素所起到的作用。

  葡萄糖氧化酶的添加,可以使料肉比也有一定程度的下降,这样的话就可以不用抗生素,也能达到可预防疾病,促进生长的作用。通过科研技术的不断发展,使我们酶制剂或者其他的一些替代品,在生产水平上会有一个很大的飞跃。

  在抗生素替代过程中,包括对动物疾病的预防方面,在实验室阶段的动物实验表明了也有很好的作用。通过复合干扰素的猪的α和γ的复合使用,可以使猪增重料肉比下降5%。从实验室阶段来看,是很有潜力的抗生素替代品。

  我们团队的首席张志芳研究员课题组做的鸡的复合干扰素,预防动物疾病替代抗生素方面也有很好的实验结果,符合的α加γ鸡的复合干扰素,在实验过程中发现有效的提高鸡的增重提高9%,料肉比可以下降5%。所以说从实验室的结果来看有很好的发展前景,也有望成为抗生素替代品中新的一员。微生物智能细胞工厂作为一种绿色可持续的生产技术,可以根据我们的需求,定向完成加工产品,一定会在我们今后的生活中大放异彩,对我们未来的生活起到巨大的推动作用。

【基因智慧】护航食品安全 微生物工厂如何“智造”抗生素替代品?

  监制:战钊 薛爱红

  策划:王友华 金赫

  导演:金赫

  摄像:肖春芳

  科学顾问:张伟

  责任编辑:张宇宏

[ 责编:赵清建 ]
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