靶向肽聚糖胞内合成途径的D-氨基酸功能化金纳米团簇设计合成及其抗耐药菌活性研究

The antibiotic-resistance crisis is getting increasingly serious. And the infectious disease caused by bacteria has been re-listed as one of the most threatening diseases to global public health. There is an urgent need to develop new antibacterial drugs that are different from traditional antibiotics in mechanism and can effectively inhibit the activity of drug-resistant bacteria. Taking the advantages of gold nanoclusters such as easy functionalization, precisely controllable number of atoms, and good biosafety, this project plans to design and synthesis a series of D-amino acid functionalized gold nanoclusters with the aid of molecular dynamic simulation for targeting the D-amino acid ligase and racemase in the intracellular synthesis pathway of bacterial peptidoglycan and therefore damaging the cell wall. The functionalized D-amino acids enables the gold nanocluster highly stereospecific adaptation to the racemase and ligase target. Moreover, through in-situ synthesis using the target protein as template enables the size of gold nanocluster can well match the active pocket of the target protein. The inhibitory activity against drug-resistant bacteria and biological toxicity of gold nanoclusters will be evaluated. The underlying antibacterial mechanism at cell level and molecular level will be further determined by investigating the selective binding and the inhibitory effect of the D-amino acid functionalized AuNCs to the target protein. Due to the difference in antibacterial target from the existing antibiotics and the absence of D-amino acid metabolism-related enzymes in animals and humans, this novel antibacterial agent will have a good inhibitory effect on the clinical antibiotic-resistant bacteria and will have good biosafety. This project will provide new ideas and research basis for the development of effective non-toxic antibacterial nano-drugs against the antibiotic-resistant bacteria.

随着细菌耐药问题的日益严重，细菌感染重新被列为对全球公共卫生和人类健康最具威胁的疾病之一，亟需研发在抗菌机制上不同于传统抗生素、可有效抑制耐药菌活性的新型抗菌剂。本项目以细菌肽聚糖胞质内合成途径中的D-氨基酸连接酶和消旋酶为作用靶点，利用其对D-氨基酸底物具有高度立体选择性亲和作用的特点，结合金纳米团簇（AuNCs）易于功能化、原子数精确可控且具有良好生物安全性的优点，采用分子动力学模拟辅助材料设计，以靶点蛋白为模板剂、原位合成一系列D-氨基酸功能化的AuNCs，评价其对耐药菌的抑制作用和生物毒性，研究其与作用靶点之间的选择性亲和、对靶点酶催化肽聚糖合成过程的阻断作用，在分子水平上分别阐明抗菌机制。因与现有抗生素的作用靶点不同、动物和人体中不存在D-氨基酸代谢相关酶，该新型抗菌剂将对多种耐药菌具有良好抑制效果且安全性好。本项目将为发展有效对抗耐药菌且无毒的纳米抗菌药物提供新思路和研究基础。

抗生素的发现曾使得可能致命的细菌感染类疾病变得容易治愈，是现代医学史上最伟大的成就之一。但是通过基因突变，细菌可以获得使抗生素活性降低的能力—细菌耐药性是进化的必然性，过度或不当使用抗生素使得细菌耐药问题日益严重，正在对全球公共卫生和人类健康造成严重的威胁，亟需研发新型抗菌药物。本项目以细菌肽聚糖胞质内合成途径中的D-氨基酸连接酶和消旋酶为作用靶点，利用其对D-氨基酸底物具有高度立体选择性亲和作用的特点，结合金纳米颗粒易于功能化、尺寸可控且具有良好生物安全性的优点，采用分子动力学模拟辅助材料设计，以靶点蛋白为模板剂、原位合成一系列氨基酸和短肽等小分子配体功能化的金纳米颗粒，实现了配体功能化金纳米颗粒的可控制备，通过改变反应条件可以得到具有不同尺寸和表面化学性质的金纳米颗粒；抗菌性能研究结果表示金纳米颗粒的尺寸和表面配体种类对其抗菌性能有重要影响，和大尺寸的金纳米颗粒相比，2 nm以下的金纳米颗粒对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的最小抑菌浓度较低，D-谷氨酸以及具有正电荷的配体如季铵盐和聚精氨酸的配体抗菌活性较好；进一步的抗菌机制研究表明，金纳米颗粒表面氨基酸配体的手性会影响其与D-氨基酸连接酶的相互作用，阻断细菌肽聚糖胞质内合成，而金纳米颗粒表面配体所带的正电荷会促进纳米颗粒与细菌细胞壁的相互作用，使纳米颗粒更容易被细菌摄取，从而具有更好的抗菌效果；细菌耐药性研究结果表明，相对于传统抗生素，金纳米颗粒不容易引起细菌耐药性；此外，金纳米颗粒具有较好的生物安全性，在20倍于最小抑菌浓度下对Hela细胞的生长无明显抑制作用。本项目的研究为发展有效对抗耐药菌且无毒的纳米抗菌药物提供了研究基础和一种新思路。