螺旋卷曲淀粉样纤维通过变构机制催化β-内酰胺抗生素水解的创新研究

为解决抗生素污染水体的环境健康难题，以色列本·古里安大学团队发现合成肽PFK形成的螺旋卷曲淀粉样纤维能通过变构催化机制高效降解β-内酰胺类抗生素（如青霉素、阿莫西林）。该研究通过冷冻电镜和分子动力学模拟揭示β-内酰胺分子通过静电作用嵌入双链纤维结构，由表面赖氨酸残基（Lys）介导亲核攻击实现水解。该成果为开发新型水处理技术提供了生物催化新策略，发表于《Nature Communications》。

　　

抗生素污染已成为全球性环境健康危机，每年数百万吨β-内酰胺类抗生素（如青霉素、阿莫西林）通过医疗和农业排放进入水体，不仅破坏生态平衡，更加速了耐药菌的蔓延。传统水处理技术对这类水溶性抗生素的降解效率低下，而天然β-内酰胺酶（β-lactamase）存在成本高、稳定性差的缺陷。在这一背景下，以色列本·古里安大学领衔的国际团队将目光投向了一类特殊蛋白质聚集体——淀粉样纤维（amyloid fibrils）。这类通常与神经退行性疾病相关的纤维结构，近年被发现具有意想不到的催化活性，可能成为环境治理的新武器。

研究人员设计了一种由交替赖氨酸/苯丙氨酸组成的合成肽PFK（序列Pro-Lys-(Phe-Lys)₅-Pro），通过冷冻电镜（cryo-EM）、分子动力学模拟（MD）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）等技术，系统研究了其催化β-内酰胺环水解的机制。结果显示，PFK在离子强度>0.2 M KCl条件下自组装成带正电荷的β-折叠纤维，表面暴露的赖氨酸侧链（Lys）可作为亲核试剂攻击抗生素的β-内酰胺环。

催化β-内酰胺抗生素水解的PFK淀粉样纤维
实验证实PFK纤维对硝基头孢菌素（nitrocefin）的催化效率比单体状态高4倍，对青霉素和阿莫西林在60小时内降解率分别达89%和83%。动力学分析发现其遵循变构（allosteric）机制：Hill系数达7.33，表明β-内酰胺分子与纤维结合后引发协同构象变化，形成双链螺旋结构（图5e）。这种独特的"卷曲纤维"结构通过冷冻电镜解析显示，抗生素分子被嵌入4.9 ?螺距的扭曲纤维中，与C端Lys-10/Lys-12形成氢键网络（图5a）。

结构机制与变构催化
分子动力学模拟揭示β-内酰胺通过静电作用锚定在纤维表面，引发纤维从单链（8 nm）重组为40 nm厚的双螺旋结构（图6f）。这种结构转变创造了封闭的催化微环境，使赖氨酸侧链的pKa值降低（补充图13），增强其亲核性。值得注意的是，抗β-内酰胺酶抗体能抑制89%的催化活性（图3b），暗示PFK纤维模拟了天然β-内酰胺酶的活性位点特征。

实际应用验证
团队将PFK纤维通过多巴胺（DOPA）修饰固定在硅胶微球（10 μm）表面，构建出可循环使用的过滤柱。该装置在5次循环中保持90%的硝基头孢菌素降解率（图6d），SEM显示纤维厚度随催化次数增加至40 nm（图6f），证实了结构的稳定性。LC-MS分析证实其对青霉素的去除率达95%（图6e）。

这项研究首次揭示了淀粉样纤维通过变构机制实现高效催化的新范式，突破了人们对这类蛋白质聚集体功能的传统认知。PFK纤维的双重功能——既能捕获又能降解抗生素，为开发新型水处理材料提供了全新思路。其模块化设计允许通过调整氨基酸序列优化催化性能，未来或可拓展至其他污染物降解领域。该成果同时为理解天然淀粉样纤维（如细菌生物膜中的PSMα3）的生理功能提供了新视角， bridging the gap between pathological aggregates and functional biocatalysts。

（注：所有数据均来自原文，技术方法部分整合了cryo-EM、MD、LC-MS、酶动力学分析等方法，省略了具体缓冲液配制等实验细节）