基于计算机模拟的生物活性化合物研究：以CrtM为靶点抑制金黄色葡萄球菌的药物耐药性——色素抑制剂的作用机制

《Computational and Theoretical Chemistry》：In silico Exploration of Bioactive Compounds targeting the CrtM to impede Staphylococcus aureus drug resistance: pigment inhibitors

耐药金黄色葡萄球菌（MRSA）的CrtM抑制剂筛选与分子机制研究通过虚拟筛选和分子动力学模拟发现候选化合物Cmpd1和Cmpd2具有优于参考药物BPH-652的抑制活性，其结合自由能分别为-104.74和-113.20 kcal/mol。

　　这项研究聚焦于一种重要的耐药性细菌——金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*, *S. aureus*），尤其是其对多种抗生素产生耐药性的特性，以及由此引发的公共卫生问题。随着抗生素耐药性的加剧，传统治疗手段的效果逐渐减弱，促使科学家寻找新的解决方案。其中，研究团队将目光投向了细菌的毒力因子，特别是与其生存和致病能力密切相关的化合物——甾醇（STX）。STX不仅赋予细菌其独特的金色外观，还在细菌抵抗宿主免疫系统产生的氧化应激中发挥关键作用，保护其细胞膜的完整性，从而促进其在宿主体内的存活和致病性。因此，STX被认为是开发新型抗感染策略的重要靶点。

在这一背景下，研究团队关注到了一种关键的酶——脱氢羊毛甾烯合成酶（CrtM）。CrtM是一种前体转移酶，负责催化两个法呢基二磷酸分子的头对头缩合，生成脱氢羊毛甾烯，这是STX生物合成的第一步。CrtM通过选择性甲基化前体分子，启动STX的合成路径。如果能够有效抑制CrtM的活性，将直接阻断STX的形成，使细菌失去对氧化应激的抵抗力，从而更容易被宿主免疫系统或传统抗生素清除。这一发现为开发抗毒力药物提供了新的思路，相较于传统的抗生素治疗，抗毒力药物可以减少对耐药性产生选择压力的风险，同时针对细菌的生存机制进行干预。

研究团队采用了一种系统性的计算方法，对144,000种化合物进行了筛选，包括抗癌药物、抑制剂和已批准的药物，以及三维生物活性分子。这些化合物被用于寻找能够有效抑制CrtM的候选药物。首先，研究团队进行了虚拟筛选，以评估化合物与CrtM的结合潜力。随后，对筛选出的候选化合物进行了相对结合自由能计算，以进一步确定其结合能力。对于排名前三的候选化合物，研究团队还进行了100纳秒的分子动力学（MD）模拟，以分析其在CrtM活性位点中的稳定性。作为参考，研究团队使用了已知的CrtM抑制剂BPH-652，其结合自由能为-57.70千卡/摩尔，而筛选出的两个候选化合物Cmpd1和Cmpd2的结合自由能分别为-104.74和-113.20千卡/摩尔，显示出更强的结合能力。此外，Cmpd1和Cmpd2的对接评分分别为-13.113和-13.015千卡/摩尔，远高于BPH-652的-10.74千卡/摩尔，进一步验证了它们的结合潜力。

在分子动力学模拟中，Cmpd1和Cmpd2在CrtM活性位点中表现出高度的稳定性，其构象变化极小，说明它们能够有效占据酶的活性位点，形成稳定的复合物。结合自由能的计算结果也支持了这些化合物与CrtM之间存在较强的亲和力。这一发现表明，Cmpd1和Cmpd2可能成为具有开发潜力的CrtM抑制剂。此外，研究团队还评估了这些化合物的药代动力学（ADME）特性，发现它们在体内具有良好的吸收、分布、代谢和排泄能力，这为后续的体外和体内实验验证提供了依据。

为了确保研究的严谨性，研究团队对化合物库进行了详细的准备。他们使用了ChemDiv数据库中的144,000种化合物，包括抗癌药物、抑制剂和已批准的药物，以及三维生物多样性库。通过LigPrep模块（Schr?dinger Release 2022-4）对这些化合物的二维结构进行了处理，生成了低能量的三维构象，确保了化合物的化学结构在计算过程中保持准确。此外，研究团队还计算了每种化合物在生理pH条件下的潜在电离状态，以更好地模拟其在体内的行为。这一过程为后续的虚拟筛选和分子对接奠定了基础。

在实验验证方面，研究团队使用了3AE0蛋白的链A作为研究对象。通过能量最小化方法，他们对蛋白结构进行了稳定化处理，并验证了其结构的正确性。蛋白结构的Ramachandran图（Fig. 1b）显示，大多数氨基酸位于有利区域，表明该结构具有较高的可靠性。这一结果为后续的分子对接和结合自由能计算提供了准确的蛋白模板。通过分子对接，研究团队评估了候选化合物与CrtM的结合能力，并筛选出具有较高结合潜力的化合物。这些化合物的结合能力通过相对结合自由能计算得到了进一步验证，同时通过分子动力学模拟分析了其在活性位点中的稳定性。

研究团队还探讨了CrtM在* S. aureus*生存和致病性中的重要性。CrtM不仅参与STX的合成，还通过调控抗氧化水平，帮助细菌在宿主免疫系统产生的氧化应激环境中存活。这种机制使得CrtM成为一种重要的毒力因子，其抑制可能直接削弱细菌的致病能力。此外，研究团队还发现，缺乏STX的* S. aureus*菌株在动物模型中更容易被宿主免疫系统清除，表明STX在细菌感染过程中具有不可替代的作用。因此，针对CrtM的抑制策略可能成为一种有效的抗感染手段，同时减少对耐药性产生选择压力的风险。

在寻找CrtM抑制剂的过程中，研究团队参考了已知的抑制剂BPH-652，该化合物具有1.5纳摩尔的抑制常数（*k*_i）和100-300纳摩尔的半数抑制浓度（IC₅₀）。此外，其他潜在的抑制剂如肉桂醇和N-3-(3-苯氧基苯基)丙基膦酰基乙酸胺也被评估。肉桂醇在一定浓度下能够显著抑制STX的合成，而N-3-(3-苯氧基苯基)丙基膦酰基乙酸胺则显示出更低的IC₅₀和*K*_i值，表明其具有更高的结合能力和抑制效率。这些已知的抑制剂为研究团队提供了重要的参考，同时也表明CrtM是一个具有广泛研究价值的靶点。

随着分子建模技术的发展，虚拟筛选和分子动力学模拟等计算方法在药物发现中的应用日益广泛。这些方法不仅能够快速评估大量化合物的结合潜力，还能够提供关于分子相互作用的深入信息。在本研究中，研究团队结合了多种计算方法，包括分子对接、相对结合自由能计算和分子动力学模拟，以系统性地筛选出具有潜在抑制作用的化合物。通过这种方法，研究团队不仅能够识别出与CrtM结合能力强的化合物，还能够评估其在体内的稳定性、药代动力学特性和毒性，从而为后续的实验验证和药物开发提供科学依据。

此外，研究团队还探讨了CrtM在* S. aureus*感染过程中的具体作用机制。通过抑制CrtM，可以阻断STX的合成，使细菌失去对氧化应激的抵抗能力，从而更容易被宿主免疫系统清除。这一发现为开发新型抗感染药物提供了理论支持，同时也表明，针对细菌毒力因子的干预可能比传统的抗生素治疗更具优势。由于抗生素耐药性问题的持续存在，开发新的抗感染策略显得尤为迫切。而通过抑制CrtM，不仅可以减少对耐药性产生选择压力的风险，还能够有效降低细菌的致病能力，从而提高治疗效果。

在本研究中，研究团队采用了一种综合性的计算流程，以确保筛选结果的科学性和可靠性。首先，通过虚拟筛选对144,000种化合物进行了初步评估，筛选出具有较高结合潜力的候选化合物。随后，对这些候选化合物进行了相对结合自由能计算，以进一步验证其结合能力。对于排名前三的化合物，研究团队进行了100纳秒的分子动力学模拟，以分析其在CrtM活性位点中的稳定性。这一流程不仅能够识别出具有潜在抑制作用的化合物，还能够评估其在体内的行为，为后续的实验验证和药物开发提供基础。

在结果分析方面，研究团队发现Cmpd1和Cmpd2在CrtM活性位点中表现出较强的结合能力，其对接评分和相对结合自由能均优于已知的抑制剂BPH-652。这表明，Cmpd1和Cmpd2可能是更具潜力的CrtM抑制剂。此外，分子动力学模拟结果显示，Cmpd1和Cmpd2在CrtM活性位点中表现出高度的稳定性，其构象变化极小，说明它们能够有效占据酶的活性位点，形成稳定的复合物。这些结果不仅支持了Cmpd1和Cmpd2的结合潜力，还表明它们可能在实际应用中具有较高的可行性。

研究团队还评估了这些候选化合物的药代动力学（ADME）特性，发现它们在体内具有良好的吸收、分布、代谢和排泄能力，这为后续的实验验证提供了依据。此外，研究团队还探讨了这些化合物的毒性，发现它们在体内的毒性较低，表明其具有较高的安全性。这些结果表明，Cmpd1和Cmpd2不仅在结合能力上优于已知的抑制剂，还具有良好的药代动力学特性和较低的毒性，这使得它们成为更具潜力的CrtM抑制剂候选。

在本研究中，研究团队强调了计算方法在药物发现中的重要性。通过虚拟筛选和分子动力学模拟等计算方法，他们能够快速评估大量化合物的结合潜力，并筛选出具有较高结合能力的候选化合物。这些方法不仅能够提高药物发现的效率，还能够减少实验成本，为开发新型抗感染药物提供了可行的途径。此外，研究团队还探讨了如何将这些计算方法与实验验证相结合，以进一步优化药物候选。例如，通过分子对接和相对结合自由能计算，他们能够识别出与CrtM结合能力强的化合物，而通过分子动力学模拟，他们能够评估这些化合物在活性位点中的稳定性，从而为后续的实验验证提供指导。

综上所述，这项研究通过系统性的计算方法，成功筛选出具有潜在抑制作用的CrtM抑制剂候选。Cmpd1和Cmpd2在结合能力、稳定性、药代动力学特性和毒性等方面均表现出优异的性能，显示出比已知抑制剂更高的潜力。这些结果不仅为开发新型抗感染药物提供了科学依据，还为未来的研究提供了新的方向。通过抑制CrtM，可以有效削弱* S. aureus*的致病能力，使其更容易被宿主免疫系统清除，从而减少抗生素耐药性问题带来的威胁。此外，这些候选化合物的开发还可能为其他细菌毒力因子的研究提供借鉴，推动新型抗感染策略的发展。