潜在抗菌材料淀粉样多肽纳米聚集体与细菌膜的相互作用研究

It has been paid more attention to design and exploit novel antimicrobial materials with high metabolic stability and obtain an insight into the mechanism of antimicrobial activity in the biomedicine and material science. Amyloid or amyloid-like materials have been explored recently for functional purposes in biology and biomedicine mainly due to the structural characteristics and physical chemistry property. In the previous researches, amyloid peptides or nanostructures of which were proved to be the high affinity with membrane and the disruption of membrane, which is similar to the interaction mechanism of antimicrobial peptide and membrane. Therefore, in this project, we start to prepare the amyloid peptide nanostructure and study the interaction mechanism of amyloid peptide and its nanostructures assembled from monomers with bacterial membrane. Several steps will be included that the interaction between the amyloid peptide and bacterial membrane; the difference of interaction mechanism between amyloid peptide vs. bacterial membrane and amyloid peptide nanostructures vs. bacterial membrane; the antimicrobial properties of amyloid materials as well as its cytotoxicity. This work will extend the functional application of amyloid materials and pave the way on the designing and studying on the functional peptides applied as the antimicrobial material in near future.

开发新型抗菌材料并深入理解其抗菌机理是目前医学与材料学科关注的重点。近年来，淀粉样多肽作为功能材料，在生物学以及生物医用材料方面有了很多应用。而且研究表明，淀粉样多肽及其纳米聚集体与细胞膜具有较强的相互作用，最终导致膜破损。这种能力与抗菌多肽的抗菌机制极为相似，并且其纳米聚集体又不易被水解。因此，研究淀粉样多肽及其纳米聚集体与细菌膜的相互作用，并揭示其潜在的抗菌机制不仅为抗菌材料的研究提供了新思路，同时也拓展了人们对淀粉样多肽材料的认识。本项目着重研究淀粉样多肽纳米聚集体的制备以及其与细菌膜的相互作用机制，包括淀粉样多肽与细菌膜表面的相互作用机理；不同淀粉样多肽纳米聚集体结构及其与细菌膜表面相互作用机制；淀粉样多肽纳米材料的抗菌性能及其生物毒性评估。此研究将为淀粉样多肽纳米材料在材料学特别在抗菌材料领域的应用提供理论基础。

抗生素的滥用，使得一些细菌产生很强的耐药性。因此开发一种广谱，高效，以及无耐药性的新型抗菌材料或抗菌药物，是目前的主要任务。抗菌肽对于克服细菌耐药起到很重要的作用。然而抗菌肽的存在一些问题急需解决，如生物稳定性，细胞毒性等。淀粉样多肽，是源于生物体内的一种分子，其特点为可以形成纳米组装体，不容易被代谢。同时其组装体可以与膜相互作用，导致膜破坏，因此，在设计潜在抗菌材料时，可以借鉴抗菌多肽和淀粉样多肽的结构特性，构建高效抗菌材料。本项目系统研究了淀粉样多肽纳米聚集体与模拟细菌膜的相互作用，控制得到了不同淀粉样多肽纳米聚集体，纳米片，纳米纤维等，显示出与模拟细菌细胞膜不同的相互作用能力，在相互作用过程中，多肽二级结构发生改变。淀粉样多肽纳米聚集体与单体相比，展示更好与细菌膜相互作用的能力。淀粉样多肽具有潜在生物毒性，需要改造淀粉样多肽序列，设计阳离子型可组装多肽，既展示抗菌效果，又具有较低的生物毒性，多肽组装体通过破膜影响细菌DNA代谢过程，导致细菌死亡。此外，在本项的支持下，我们设计了细菌特异性识别多肽，并与金纳米棒AuNR结合制备得到了新型复合纳米材料，实现了对细菌的灵敏检测和高效光热杀菌的双功能集成。本项目的研究为抗菌材料的设计、抗菌材料抗菌机理的揭示、以及后续的细菌感染治疗方面的应用提供了新思路。