基于计算预测的香堇菜环肽抑制肺炎链球菌神经氨酸酶研究：新型呼吸道感染治疗策略

为解决肺炎链球菌（S. pneumoniae）耐药性威胁下新型抗菌药物开发的难题，印度数学科学研究所等团队通过虚拟筛选香堇菜（Viola odorata）环肽库，首次计算预测了kalata S等5种环肽（cyclotides）可靶向结合肺炎链球菌神经氨酸酶（SpNanA）关键活性位点。分子动力学模拟证实复合物稳定性，为呼吸道感染治疗提供了天然肽类抑制剂设计新思路，发表于《Molecular Diversity》。

　　

肺炎链球菌作为WHO认定的中耐药优先级病原体，每年在印度造成20%的儿童肺炎死亡病例。其神经氨酸酶SpNanA通过切割宿主唾液酸促进细菌定植和生物膜形成，成为抗感染治疗的重要靶点。然而传统小分子抑制剂易产生耐药性，而植物环肽（cyclotides）因其独特的环状胱氨酸结（cyclic cystine knot）结构和广谱生物活性，展现出巨大开发潜力。印度传统药用植物香堇菜（Viola odorata）富含环肽，但其抗肺炎链球菌机制尚未阐明。

印度数学科学研究所联合印度理工学院马德拉斯分校的研究团队，首次采用计算生物学方法系统挖掘香堇菜环肽的抗肺炎链球菌潜力。研究通过AlphaFold 3预测93种环肽的三维结构，采用FRODOCK 2.0进行SpNanA蛋白-肽分子对接，结合PPCheck分析相互作用残基和结合能，最终筛选出kalata S、kalata B1等5种环肽能特异性结合SpNanA催化域的19个关键残基（如R₃₃₂、R₇₀₆）。500 ns分子动力学模拟显示复合物RMSD稳定在1.34-1.72 ?，MM-PBSA计算结合自由能达-15.90至-44.10 kcal/mol，显著优于参考药物扎那米韦（zanamivir）。该成果发表于《Molecular Diversity》，为抗耐药菌感染提供了新型肽类抑制剂设计范式。

关键技术包括：1）从CyBase数据库获取96种香堇菜环肽序列，结合PDB NMR结构和AlphaFold 3预测建模；2）针对SpNanA晶体结构（PDB: 2YA4）进行蛋白-肽分子对接；3）采用PPCheck评估相互作用残基与结合能；4）GROMACS 2024.1进行500 ns分子动力学模拟；5）gmx_MMPBSA计算结合自由能。

主要结果

1. 环肽库构建与验证
   通过CyBase收录的96种香堇菜环肽中，93种经AlphaFold 3建模（pTM>0.5）并验证三对二硫键，建立迄今最全面的香堇菜环肽结构库。

2. 分子对接筛选
   kalata S以-266.15 kJ/mol结合能居首，与SpNanA关键残基形成5个短接触（如R₃₃₂-L₅₈₃）和17个范德华作用，相互作用数量远超扎那米韦（仅8个残基）。

3. 复合物稳定性验证
   MD显示所有环肽-蛋白复合物RMSD<1.72 ?，半径回旋（Rg）波动<0.14 ?，其中cycloviolacin O15与R₇₀₆的盐桥维持了整个模拟周期。

4. 与临床抑制剂对比
   环肽结合面覆盖SpNanA催化域80%关键残基，而奥司他韦羧酸盐（oseltamivir carboxylate）在模拟中发生解离，凸显环肽结构优势。

结论与意义
该研究首次证明香堇菜环肽可通过多残基协同作用阻断SpNanA功能，其结合模式不同于流感病毒神经氨酸酶抑制剂。kalata B1等环肽已在前期实验中显示抗肺炎链球菌活性，本研究通过计算阐明其分子机制。未来需通过体外酶活实验和动物模型验证，并优化环肽的ADME（吸收、分布、代谢、排泄）性质。这项工作为开发抗耐药菌的植物源肽类药物提供了新思路，尤其对高负担国家如印度的呼吸道感染防治具有重要价值。