泛素酶肽与邻位硼酰化乙酰苯酮结合后对含胺模型细菌膜的亲和力更强

《Soft Matter》：Superior affinity of ubiquicidin peptide united with ortho-borylated acetophenone to an amine-containing model bacterial membrane

本研究通过表面压力-面积异构图、动态流变学和AFM成像，探究了2-APBA修饰的抗菌肽UBI-2-APBA与阳离子膜脂Lys PG的相互作用机制。发现修饰后的肽通过共价形成iminoboronate键显著增强对Lys PG膜的亲和力，其插入膜脂层的能力比未修饰的UBI（29-41）提高1.13倍，动态流变学参数显示膜弹性显著增加。该策略为克服细菌耐药性提供了新思路。

　　抗菌肽（Antimicrobial Peptides, AMPs）作为对抗传统抗生素耐药性细菌的潜在药物，近年来受到了广泛关注。随着细菌对常规抗生素产生耐药性的现象日益严重，开发新型抗菌策略变得尤为迫切。AMPs因其广泛的抗菌活性和快速的杀菌作用，被认为是传统抗生素的有力替代品。它们能够穿透组织并选择性地靶向细菌膜，这使得其在治疗性开发中具有巨大潜力。然而，某些细菌通过改变其膜脂质组成，如将二棕榈酰磷脂酰甘油（DPPG）转化为赖氨酸磷脂酰甘油（Lys PG），从而形成具有更高正电荷的膜结构，这种变化可能会减少AMPs与细菌膜的结合效率，进而降低其抗菌效果。因此，探索能够克服这种挑战的化学修饰策略，对于提高AMPs在抗菌应用中的效力至关重要。

本研究中，科学家们对一种名为UBI（29–41）的阳离子抗菌肽进行了化学修饰，通过在其C端引入2-乙酰苯基硼酸（2-APBA）分子，以增强其对细菌膜的亲和力。2-APBA通过与脂质中的胺基形成动态共价的iminoboronate键，能够显著改善AMPs与细菌膜的结合能力。为了评估这种修饰对膜相互作用的影响，研究团队采用了多种生物物理方法，包括表面压力-面积等温线（π–A isotherms）、膜层扩张流变学（dilation rheology）以及原子力显微镜（AFM）技术，这些方法不仅能够量化AMPs与脂质的相互作用，还能观察膜层的形态变化和力学行为。

研究发现，UBI-2-APBA（修饰后的肽）相较于原始的UBI（29–41）表现出更强的膜亲和力。具体而言，在与阳离子脂质Lys PG和1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-乙基磷酰胆碱（DSEPC）形成的单分子层相互作用时，UBI-2-APBA能够更有效地插入到脂质膜中，而UBI（29–41）则主要以吸附形式存在于膜层表面。这一现象与两种肽之间的化学键合差异有关，即UBI-2-APBA的2-APBA基团与Lys PG之间形成了共价连接，从而增强了其与膜的结合能力。相比之下，UBI（29–41）由于缺乏这一功能基团，其与膜的相互作用较弱，仅通过静电作用实现初步结合。

在与两性离子脂质1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷脂酰乙醇胺（DSPE）的相互作用中，两种肽的亲和力表现出相似的特性。这表明，尽管UBI-2-APBA在阳离子脂质环境中具有更强的结合能力，但在两性离子脂质中，其效果与原始的UBI（29–41）相近。这一结果提示，2-APBA修饰在特定类型的细菌膜中可能具有更强的靶向性，而在其他类型的膜中则可能作用有限。

通过表面压力-面积等温线的测量，研究团队发现修饰后的UBI-2-APBA在与Lys PG相互作用时，导致表面压力-面积曲线显著变化。这表明，修饰后的肽能够更有效地改变膜层的结构，增加其分子面积，并表现出更高的弹性模量和粘性模量。相比之下，未修饰的UBI（29–41）仅引起轻微的膜层变化，其对膜的扰动能力较弱。此外，研究还通过膜层扩张流变学实验进一步验证了这一现象，发现UBI-2-APBA能够显著增强膜层的力学响应，而UBI（29–41）则影响较小。

为了更直观地展示这两种肽与不同脂质膜的相互作用，研究团队使用了原子力显微镜（AFM）进行表面形貌分析。结果显示，UBI-2-APBA在与Lys PG膜相互作用时，形成了更多的异质结构，这些结构的高度和尺寸明显大于UBI（29–41）所形成的结构。这进一步证实了UBI-2-APBA在与阳离子脂质膜的结合能力上远超未修饰的UBI（29–41）。而当与DSEPC和DSPE等其他类型的脂质膜相互作用时，UBI-2-APBA与UBI（29–41）的结合行为存在差异，前者主要通过共价键与膜结合，而后者则更多地依赖静电作用。

研究还发现，不同脂质膜的结构和组成对肽的结合行为具有显著影响。例如，Lys PG含有两个胺基，这使得其在与UBI-2-APBA结合时，能够形成更紧密的相互作用，从而增强其对膜的渗透能力。而DSEPC仅含一个胺基，导致其与UBI-2-APBA的结合能力相对较低。此外，脂质分子链的长度和排列方式也会影响膜层的力学特性，进而影响肽的结合行为。例如，DSPE因其紧密排列的结构，表现出较高的刚性，而Lys PG和DSEPC则因分子链较长，表现出不同的力学响应。

从研究结果来看，2-APBA修饰显著提升了AMPs对细菌膜的靶向能力。这不仅为对抗耐药菌提供了新的思路，也为开发更有效的抗菌药物奠定了基础。通过这种化学修饰，AMPs能够在保持其抗菌活性的同时，增强对特定细菌膜的识别和结合能力，从而更有效地破坏膜结构，实现杀菌作用。这一发现具有重要的应用价值，特别是在对抗耐药性细菌的感染方面，为未来的抗菌治疗提供了新的方向。

此外，研究团队还探讨了这种修饰对膜电势的影响。表面电势的测量显示，UBI-2-APBA在与Lys PG膜相互作用时，能够显著提高膜的正电荷密度，从而克服静电排斥效应，促进其更深入地结合到膜层中。而未修饰的UBI（29–41）则因静电排斥作用，导致膜电势降低，表明其与膜的结合能力较弱。这种对膜电势的调节，进一步支持了UBI-2-APBA在与阳离子脂质膜结合时的优越性。

研究还通过监测膜层表面压力随时间的变化，分析了两种肽在膜层组装过程中的动力学行为。结果显示，UBI-2-APBA在与Lys PG膜结合时，其表面压力的增加速度和最终达到的稳定压力值均高于UBI（29–41）。这表明，UBI-2-APBA在膜层中能够更快地扩散并结合，从而表现出更强的膜结合能力。这种快速结合特性对于抗菌药物的开发尤为重要，因为它可以提高药物在体内的有效性和快速作用能力。

总体而言，这项研究通过多种生物物理方法，系统地评估了2-APBA修饰对AMPs与细菌膜相互作用的影响。研究结果不仅揭示了UBI-2-APBA在与阳离子脂质膜结合时的优势，还为未来抗菌药物的设计提供了理论依据。通过这种化学修饰策略，科学家们有望开发出更高效、更具选择性的抗菌肽，从而有效应对抗生素耐药性问题。此外，这项研究也为进一步探索AMPs在复杂生物膜环境中的行为提供了重要的基础，有助于推动抗菌治疗技术的发展。