探秘黄连素类似物：有望成为抑制大肠杆菌 FtsZ 的 “潜力之星”

为解决大肠杆菌耐药性问题，研究人员开展了黄连素类似物对大肠杆菌 FtsZ 蛋白抑制作用的研究。通过多种技术筛选出 ZINC524729297 和 ZINC000604405393 等潜在抑制剂，这为开发新型抗菌药物提供了方向。

　　在细菌的微观世界里，大肠杆菌（Escherichia coli）就像一群 “捣乱分子”，时不时地给人类健康带来麻烦。作为一种革兰氏阴性菌，它能在人体内兴风作浪，引发肠道或肠外感染，严重时甚至会导致败血症，危及生命。近年来，大肠杆菌引发的菌血症发病率还在不断上升。

曾经，抗生素是对抗细菌感染的 “神奇武器”，大大降低了患者的死亡率。然而，随着抗生素的过度和不合理使用，细菌逐渐产生了抗菌耐药性（AMR），这一问题如今已成为全球健康领域的重大挑战。据统计，2019 年因 AMR 导致的死亡人数约 500 万，预计到 2050 年，每年将有 300 万人因此丧生，全球经济损失高达 100 万亿美元。而且，大肠杆菌对多种抗生素的耐药性也在增强，寻找新的抗菌药物迫在眉睫。

细菌的细胞分裂过程是它们繁衍的关键环节，而丝状温度敏感突变 Z 蛋白（FtsZ）在其中扮演着至关重要的角色。FtsZ 是一种重要的 GTP 酶，它能组装成类似微管蛋白的丝状结构，形成收缩的 Z 环，这是细菌细胞分裂的关键步骤。由于 FtsZ 在不同细菌物种中高度保守，且与真核生物微管蛋白序列差异大，以它为靶点开发药物，有望减少对人体细胞的毒性，同时克服细菌的耐药性，因此成为了极具潜力的药物靶点。

在此背景下，印度韦洛尔理工学院（Vellore Institute of Technology）的研究人员开展了一项旨在寻找新型大肠杆菌 FtsZ 蛋白抑制剂的研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为开发新型抗菌药物带来了新的希望。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是机器学习（ML）技术，通过构建分类模型来区分抗 FtsZ 化合物和非抑制性化合物；接着进行基于配体的虚拟筛选，利用 SwissADME 软件筛选具有良好药代动力学性质的黄连素类似物，并通过 ProTox 3.0 预测其毒性；然后运用分子对接技术，使用 Autodock tools 4.2.6 分析蛋白 - 配体的结合相互作用；最后通过分子动力学（MD）模拟，在 GROMACS 软件包中对蛋白 - 配体复合物进行 500 ns 的模拟，评估其稳定性。

研究结果

1. 机器学习模型性能评估：研究人员使用随机森林、LMT 和 J48 三种分类算法，基于十折交叉验证构建模型。J48 模型表现最佳，kappa 统计值达 0.62，准确率为 93.18%，其 ROC 值为 0.95，在区分抗 FtsZ 化合物和非抑制性化合物方面具有较高的可靠性。基于此模型，从 1072 种黄连素类似物中筛选出 740 种被预测为有活性的化合物，用于后续评估。
2. ADMET 分析和虚拟筛选：从 PubChem 数据库获取 740 种黄连素类似物结构，经 SwissADME 软件筛选，基于药代动力学性质（如分子量、氢键供体和受体数量、总极性表面积等）和合成可及性，得到 571 种先导化合物。再经毒性筛选，最终确定 60 种无毒化合物。进一步通过 PyRx 计算结合亲和力，选取 20 种结合亲和力＜ - 7.4 Kcal/mol 的化合物进行后续分析。
3. 分子对接分析：对筛选出的化合物与 FtsZ 进行分子对接分析，发现 ZINC000524729297、ZINC000604405393 等 5 种化合物与 FtsZ 形成的复合物具有较高的结合亲和力。其中，ZINC000524729297 的结合能为 - 8.73 kcal/mol，ZINC000604405393 的结合能为 - 8.55 kcal/mol，均低于黄连素（ - 6.59 kcal/mol）。这些化合物通过多种分子间相互作用（如氢键、范德华力等）与 FtsZ 结合，作用于 FtsZ 的活性位点。
4. 分子动力学模拟：对蛋白 - 配体复合物进行 500 ns 的 MD 模拟。结果显示，ZINC000524729297、ZINC000604405393 与 FtsZ 复合物的均方根偏差（RMSD）值较低，分别为 0.475 nm 和 0.551 nm，表明其稳定性较高；而黄连素与 FtsZ 复合物的 RMSD 值为 0.707 nm，稳定性相对较差。同时，ZINC000524729297、ZINC000604405393 复合物的均方根波动（RMSF）值也较低，分别为 0.085 nm 和 0.093 nm，说明其氨基酸残基的波动较小，结构更稳定。此外，这两种复合物还形成了较多的氢键，平均氢键数分别为 2.3 和 1.2，进一步增强了复合物的稳定性。
5. 结合自由能计算：通过 MM - PBSA 分析计算结合自由能，FtsZ - ZINC524729297 和 FtsZ - ZINC000604405393 复合物的总结合能最低，分别为 - 32.48 ± 3.84 kcal/mol 和 - 31.58 ± 5.26 kcal/mol，表明它们与 FtsZ 的相互作用更强，结合亲和力更高，优于黄连素和其他配体。
6. 主成分分析（PCA）：PCA 分析结果显示，FtsZ - ZINC524729297 和 FtsZ - ZINC000604405393 复合物在二维投影图中占据的相空间较少，表明其构象更稳定，与 FtsZ 的结合更稳定，这意味着它们在抑制 FtsZ 方面可能具有更好的效果。
7. 自由能景观（FEL）分析：FEL 分析表明，FtsZ - ZINC524729297 和 FtsZ - ZINC000604405393 复合物的自由能景观值较低，分别为 18 kJ/mol 和 17.2 kJ/mol，处于更稳定的构象状态，而 FtsZ - 黄连素复合物的稳定性相对较差，这进一步证实了前两者在热力学上的稳定性优势。
8. 动态交叉相关矩阵（DCCM）分析：DCCM 分析发现，FtsZ - ZINC524729297 和 FtsZ - ZINC000604405393 复合物存在显著的相关和反相关运动，表明其结构在模拟过程中具有较高的完整性，能够更好地维持与 FtsZ 的结合状态，发挥抑制作用。
9. 功能分析：对筛选出的化合物 ZINC524729297 和 ZINC000604405393 进行功能分析，发现它们的原子数、官能团数和环数均多于已知的 FtsZ 抑制剂黄连素和白花丹醌，这些结构特征可能与它们对大肠杆菌 FtsZ 蛋白的抑制活性相关。

研究结论与讨论

这项研究通过多种计算方法，对大量黄连素类似物进行筛选和分析，发现 ZINC524729297 和 ZINC000604405393 与 FtsZ 具有较强的结合亲和力和较低的结合能，在抑制 FtsZ 方面表现出比黄连素更优异的性能。它们能与 FtsZ 形成稳定的复合物，通过多种相互作用影响 FtsZ 的结构和功能，从而抑制细菌细胞分裂。

这些发现为开发新型抗菌药物提供了重要的理论依据和潜在的先导化合物。然而，目前的研究还处于计算机模拟阶段，后续需要通过体外和体内实验进一步验证 ZINC524729297 和 ZINC000604405393 的抗菌活性和安全性，评估它们在实际治疗中的效果，为解决大肠杆菌耐药性问题提供切实可行的方案，为人类健康事业做出贡献。