金纳米粒子的大小和形状对金黄色葡萄球菌另一种σ因子第3结构域（Domain 3）的结构和活性的影响

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects》：The effect of gold nanoparticle size and shape on the structure and activity of Domain 3 of an alternative sigma factor of Staphylococcus aureus

黄金纳米颗粒大小与形态对金黄色葡萄球菌σB3蛋白结构及功能的影响研究，采用等温滴定热力学、圆二色光谱及荧光结合实验，发现纳米棒（AuNR10）在1:10摩尔比时导致σB3蛋白构象改变，暴露疏水区域并抑制与抗sigma因子RsbW的结合，同时有效抑制生物膜形成。

　　在现代科学的发展进程中，纳米材料因其独特的物理化学性质和广泛的应用前景，成为研究的热点。特别是在医学领域，纳米材料被广泛应用于药物递送、生物成像和诊断技术等方面。近年来，随着纳米技术的进步，科学家们开始探索纳米材料对细菌蛋白质结构和功能的影响，这为开发新型抗菌策略提供了可能。本研究聚焦于金纳米颗粒（AuNPs）对金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*）中一种关键的应力响应蛋白σ^B的调控作用，特别是其第三个结构域（σ^B3）与反σ因子RsbW之间的相互作用。

金黄色葡萄球菌是一种重要的病原体，被归类为ESKAPE病原体之一，因其在临床感染中的广泛存在和耐药性问题而受到关注。该菌株能够引发多种疾病，包括轻微的皮肤感染和严重的系统性感染，如心内膜炎、脑膜炎、败血症以及中毒性休克综合征等。此外，金黄色葡萄球菌还具有形成慢性感染和反复感染的能力，这与其产生的多种毒力因子和调节因子密切相关。其中，σ^B作为替代σ因子，能够促进细菌在高温、紫外线照射、过氧化应激等环境下表达应激反应基因，从而增强其生存能力。同时，σ^B还通过抑制某些毒力相关基因的表达，帮助细菌在宿主内部维持持久性，这使得σ^B成为细菌致病机制中的关键调控因子。

由于σ^B在细菌的致病过程中起着重要作用，因此其结构和功能的调控可能为开发基于纳米材料的抗菌疗法提供新的思路。在本研究中，科学家们选择了不同尺寸和形状的金纳米颗粒，包括直径为10纳米和100纳米的球形金纳米颗粒（AuNS10、AuNS100）以及直径为10纳米的棒状金纳米颗粒（AuNR10），以研究它们对σ^B3结构和功能的影响。通过多种生物物理方法，如等温滴定热量计（ITC）、远紫外圆二色光谱（Far-UV CD）和荧光光谱分析，研究团队发现不同尺寸和形状的AuNPs对σ^B3蛋白产生了不同的影响。

研究结果显示，AuNS10和AuNS100在与σ^B3结合时分别表现出放热和吸热的热变化，这表明它们与σ^B3的相互作用模式存在差异。而AuNR10则在与σ^B3结合时显示出不同的结构变化，特别是当使用更高的摩尔比例（如1:5和1:10）时，σ^B3的α-螺旋结构含量显著减少，这暗示了蛋白质的展开过程。进一步的荧光实验表明，σ^B3与AuNR10结合后，荧光强度增强，说明蛋白质的疏水区域被暴露出来。这种现象可能与AuNR10的形状和表面特性有关，因为其较大的表面积和特定的形态可能促进了更强烈的结合。

此外，研究团队还通过结合实验探讨了σ^B3与RsbW之间的相互作用。实验结果表明，当使用AuNR10与σ^B3以1:10的摩尔比例结合时，σ^B3与RsbW之间的蛋白-蛋白相互作用受到干扰，这可能影响σ^B的活性，进而影响细菌的应激反应能力。这一发现进一步支持了AuNR10在调控σ^B3结构和功能方面的潜力。同时，研究团队还评估了AuNR10对金黄色葡萄球菌生物膜形成的影响，结果显示AuNR10能够有效抑制生物膜的形成，这表明其可能在抗菌治疗中具有重要应用价值。

在讨论部分，研究团队指出纳米材料与蛋白质的相互作用通常会导致蛋白质-纳米颗粒冠状层（protein corona）的形成，从而影响纳米材料在生物环境中的行为。蛋白质的结构变化受到纳米材料的物理化学性质、尺寸和形状的共同影响。基于这种影响，蛋白质可以被分为“硬”蛋白质（对结构变化具有较强抵抗力）和“软”蛋白质（对结构变化较为敏感）。在本研究中，σ^B3蛋白显示出对AuNPs的结构变化较为敏感，这表明其可能属于“软”蛋白质类别。

研究团队还强调了纳米材料在生物医学领域的应用潜力。金纳米颗粒因其非毒性、可调的表面性质和良好的生物相容性，被广泛应用于生物成像、药物递送和癌症治疗等方面。然而，纳米材料对蛋白质的具体影响仍需深入研究，以更好地理解其在生物系统中的行为。本研究通过实验方法揭示了AuNPs对σ^B3蛋白结构和功能的调控作用，这为开发基于纳米材料的抗菌策略提供了理论依据。

综上所述，本研究通过系统性的实验方法，探讨了不同尺寸和形状的金纳米颗粒对σ^B3蛋白结构和功能的影响。研究结果表明，AuNPs的物理化学特性在调控蛋白质结构和功能方面起着关键作用。特别是AuNR10在抑制生物膜形成和影响σ^B3与RsbW的相互作用方面表现出显著效果。这些发现不仅加深了我们对纳米材料与蛋白质相互作用机制的理解，也为开发新型抗菌疗法提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索不同类型的纳米材料对细菌蛋白质的调控作用，以及这些调控如何影响细菌的致病能力，从而为纳米技术在医学领域的应用提供更全面的指导。