基因组挖掘结合分子模拟揭示Paenibacillus sp. JNUCC 31中新型α-葡萄糖苷酶抑制剂的发现及其抗糖尿病潜力

《Scientific Reports》：Discovery of α-glucosidase inhibitors from Paenibacillus sp. JNUCC 31 via genome mining, fatty acid profiling, and in silico analysis

本研究针对2型糖尿病治疗需求，通过基因组挖掘、脂肪酸谱分析和计算模拟技术，系统探究了Paenibacillus sp. JNUCC 31菌株产生α-葡萄糖苷酶抑制剂（AGIs）的潜力。研究人员从菌株发酵液中分离出腺苷、尿苷和邻苯二甲酸二丁酯等活性化合物，证实其通过竞争性或混合型机制抑制人源麦芽糖酶-葡糖淀粉酶（MGAM）和微生物异麦芽糖酶，并结合分子动力学模拟揭示了关键结合残基（如Trp406、Tyr158）。该研究为微生物来源AGIs的开发提供了新策略，对糖尿病药物研发具有重要意义。

　　

随着全球糖尿病患病率的持续攀升，开发安全有效的降糖药物成为当务之急。2型糖尿病（Type 2 diabetes mellitus）患者常面临餐后高血糖的困扰，这一问题对微血管和大血管系统的损害甚至超过空腹高血糖。碳水化合物在肠道中的吸收主要依赖α-葡萄糖苷酶（α-glucosidase），包括麦芽糖酶-葡糖淀粉酶复合物（MGAM）和蔗糖酶-异麦芽糖酶复合物。现有药物如阿卡波糖（acarbose）虽能有效控制血糖，但易引发腹胀、腹泻等副作用，因此从天然产物中寻找新型α-葡萄糖苷酶抑制剂（AGIs）成为研究热点。

本研究聚焦于Paenibacillus sp. JNUCC 31菌株，通过多学科技术手段探究其产生AGIs的潜力。研究人员首先完成菌株全基因组测序，利用COG、GO、KEGG数据库进行功能注释，并通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析脂肪酸组成。随后通过发酵培养、乙酸乙酯萃取和柱层析分离获得活性化合物，并采用酶动力学实验、分子对接和分子动力学模拟（MD）阐明抑制机制与结合特性。

基因组特征与代谢潜力

菌株JNUCC 31的基因组为环状染色体，GC含量46.4%，携带23个功能类别的基因，其中碳水化合物代谢（G类）、氨基酸转运（E类）和次级代谢产物合成相关基因富集。KEGG注释显示该菌株具有类黄酮、异黄酮及阿卡波糖等AGIs前体的生物合成途径，提示其代谢多样性。

脂肪酸谱与化合物鉴定

脂肪酸分析显示反异-C15:0（anteiso-C15:0）占比最高（57.32%），其为已知AGIs活性成分。从发酵液中共分离出5种化合物，包括腺苷（adenosine）、尿苷（uridine）、4-羟基苯甲醛（4-hydroxybenzaldehyde）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）和1-乙酰基-β-咔啉（1-acetyl-β-carboline），其中腺苷、尿苷和DBP具有α-葡萄糖苷酶抑制活性。

酶抑制机制与动力学

酶动力学实验表明，尿苷（K_i=153.35 μM）和阿卡波糖为竞争性抑制剂，而腺苷（K_i=90.88 μM）和DBP（K_i=516.22 μM）为混合型抑制剂。分子对接显示这些化合物能与MGAM（PDB: 2QMJ）和异麦芽糖酶（PDB: 3A4A）的催化口袋稳定结合，结合自由能（MM/GBSA计算）为-14.18至-36.5 kcal/mol。

计算模拟验证结合稳定性

分子动力学模拟中，配体-蛋白复合物的均方根偏差（RMSD）均低于2.6 ?，表明结合构象稳定。残基能量分解分析发现，MGAM中的Trp⁴⁰⁶和异麦芽糖酶中的Tyr¹⁵⁸/Gln²⁷⁹为关键结合位点，通过氢键和疏水作用稳定配体。

本研究通过整合基因组学、代谢组学和计算生物学手段，证实Paenibacillus sp. JNUCC 31能产生多种结构多样的AGIs，并系统阐明了其抑制机制。研究不仅为微生物来源抗糖尿病药物开发提供了新资源，也为通过多靶点调控α-葡萄糖苷酶活性提供了理论依据，对天然产物药物研发具有重要参考价值。