刺激响应性多肽基超分子抗菌剂的研究

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背景及目的:
  由于滥用抗生素及由此产生的耐药性病原体,细菌耐药性已对全球健康构成威胁。为了应对这一挑战,做出了许多努力来开发具有杀菌或抑菌活性的抗微生物剂。超分子抗菌剂由于其出色的可设计性,高可调性和易于合成而成为抗生素最有希望的替代品。尤其是超分子肽材料的设计和制造已经引起了抗菌研究的极大兴趣,因为它们可以模拟天然存在的阴离子脂肽和阳离子抗微生物肽。在结构上,脂肽由阴离子肽(6至7个氨基酸)组成,并带有特定的亲脂部分。阳离子抗微生物肽由阳离子(例如赖氨酸和精氨酸)和疏水氨基酸(例如甘氨酸,丙氨酸和缬氨酸)组成。因此,它们的一个共同特征是都具有两亲结构,这被认为是抗菌活性所必需的。通常认为肽的疏水部分提供了亲脂性锚,最终导致细菌细胞膜的破坏。
  超分子化学的核心思想是基于动态、可逆的弱分子间相互作用的分子识别和自组装。使用超分子策略,通过模仿天然类似物(如蛋白质组装件)开发了多种刺激响应性超分子系统,用于智能生物材料应用。不同的刺激(例如光,pH,应变,温度和主-客体相互作用)被用来控制超分子肽材料的生物活性。因此,具有选择性激活/失活的抗菌特性的刺激响应性超分子肽系统的设计和制造是解决长期暴露于抗生素和由此产生的细菌耐药性的挑战的替代方法。本实验,我们构建了简约的双响应超分子抗菌系统,超分子在不同的刺激(光和主-客体化学反应)下表现出表现出可逆的组装/拆卸过程;基于刺激响应性,可以可逆地调节针对革兰氏阴性或革兰氏阳性细菌的抗菌/抗生物膜活性。
  方法:
  在这项工作中,我们选择性地合成了简单结构的异构三肽(即Ala-Gly-Gly-OH和Gly-Gly-Ala-OH),以构建简约的双响应超分子抗菌系统。为了赋予其刺激响应性,在N-端用疏水性正丁基偶氮苯尾对三肽进行修饰,合成肽两亲分子(Peptide amphiphiles,PA),这有利于增强三肽的疏水性,且起到协同抗菌作用。由于肽和糖是许多生物系统中重要的分子伴侣,通常彼此共价结合形成糖肽。我们选用结构上最简单的异构三肽,三肽的N-末端和C-末端分别用疏水性正丁基偶氮苯尾和亲水性N-甲基-D-葡糖胺残基(衍生自葡萄糖的氨基糖醇)修饰,合成偶氮苯糖肽(azobenzene-glycopeptides,AGP)。观察序列异构性中最细微的变化如何影响糖肽的自组装及其刺激响应性抗菌效应。
  结果:
  1.肽两亲分子(PA):当改变丙氨酸(Alanine,Ala)残基的位置时,在相同条件下观察到两种不同的自组装1-D形态(纳米扭曲和纳米纤维)。PA1和PA2表现出相似的抗菌和抗生物膜活性,无论一个Ala和两个甘氨酸(Glycine,Gly)残基的序列异构如何,差异均不显著。超分子三肽两亲物在不同的刺激(光和主-客体化学反应)下表现出表现出可逆的组装/拆卸过程。基于刺激反应,细菌的生长和生物膜的形成可以被可逆地调节。
  2.偶氮苯糖肽(AGP):当改变Ala残基的位置时,在相同条件下观察到不同的自组装1-D形态(即纳米扭曲,纳米带和纳米纤维)。糖肽组装体对温度、光照及主-客体化学反应具有可逆的拆解-组装过程,并且可以可逆地关闭和开启其抗生物膜活性。
  结论:
  超分子抗菌剂(三肽两亲物、偶氮苯糖肽)当改变Ala残基的位置时,可以观察到由于最细微的序列异构现象导致的自组装形态学转变,响应不同刺激后表现出可逆的组装/拆卸过程。基于其刺激反应,细菌的生长和生物膜的形成可以被可逆地调节。这项工作提供了一种有效的策略,基于简约的刺激响应超分子系统来控制细菌的生长和生物膜的形成,这对于抵抗细菌的耐药性尤为重要。
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