手性离子液体与真菌膜分子互作机制：热力学与分子动力学模拟揭示选择性抗真菌靶向作用

为解决抗菌药物耐药性问题，研究人员设计合成了一种含(1R,2S,5R)-(–)-薄荷醇功能基团的手性离子液体(FCIL)，通过Langmuir单分子膜、Brewster角显微镜(BAM)、偏振调制红外反射吸收光谱(PM-IRRAS)和分子动力学(MD)模拟等技术，揭示了其对含二油酰磷脂酰胆碱(DOPC)和麦角甾醇(Erg)的真菌膜具有选择性破坏作用，而与哺乳动物膜相互作用较弱，为开发低毒高效抗真菌剂提供了新思路。

　　

随着微生物耐药性问题日益严峻，世界卫生组织将抗菌素耐药性列为人类健康十大威胁之一。在欧洲，每年因耐药微生物感染导致的死亡人数超过33,000例。面对这一挑战，开发新型抗菌化合物迫在眉睫。在众多候选化合物中，离子液体(ILs)因其可调控结构和独特性质备受关注，特别是功能化手性离子液体(FCILs)在抗微生物领域展现出巨大潜力。

波兰雅盖隆大学等机构的研究人员设计合成了一种新型功能化手性离子液体1-[(1R,2S,5R)-(–)-薄荷氧甲基]-3-十四烷基咪唑氯化物([C₁₄-Im-CH₂OMen][Cl])，通过综合实验与计算方法探究其与真菌和哺乳动物模型膜的相互作用机制。研究发现该化合物能选择性破坏真菌膜结构，而对哺乳动物膜影响较小，相关成果发表在《Archives of Biochemistry and Biophysics》上。

研究采用多种关键技术：通过Langmuir单分子膜技术模拟生物膜环境；利用Brewster角显微镜(BAM)观察膜形态变化；采用偏振调制红外反射吸收光谱(PM-IRRAS)分析分子取向；结合分子动力学(MD)模拟计算分子间相互作用能；通过差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TG)表征热力学性质。

【3.1. 抗真菌离子化合物的设计与选择策略】
研究人员系统设计了含咪唑核心、十四烷基链和(1R,2S,5R)-(–)-薄荷醇功能基团的FCIL。分子动力学模拟显示，该化合物与真菌膜主要成分DOPC和Erg的相互作用强于与哺乳动物膜成分DPPC和Chol的相互作用，静电和范德华作用能差异显著。

【3.2. FCIL的合成与表征】
成功合成高纯度(99.7%)的[C₁₄-Im-CH₂OMen][Cl]，热分析显示其为室温离子液体(RTIL)，玻璃化转变温度为-33.8°C，熔点-2.62°C。溶解度测试表明其在水和多数有机溶剂中溶解性良好。

【3.3. FCIL在自由水面的吸附及其对单层膜的渗透】
吸附实验证实FCIL能快速吸附至气/液界面并形成稳定单层。渗透实验显示FCIL可有效掺入真菌和哺乳动物模型膜，表面压力从30 mN/m升至44 mN/m。

【3.4. Langmuir单层膜技术】
【3.4.1. FCIL对模型真菌和哺乳动物膜的影响】
π-A等温线分析表明，FCIL使真菌膜模型(DOPC/Erg)的"抬升点"向更大分子面积移动，压缩模量显示膜先轻微硬化后流体化。BAM图像显示FCIL引起膜重组，形成明亮域。相比之下，哺乳动物膜模型(DPPC/Chol)表现出组分不相容性，两相共存明显。

【3.4.2. FCIL与模型膜的相互作用】
过量吉布斯自由能(ΔG^exc)计算显示FCIL与真菌膜为吸引相互作用(ΔG^exc≈-1000 J/mol)，而与哺乳动物膜为微弱排斥(ΔG^exc≈+310 J/mol)。PM-IRRAS光谱证实FCIL能完全破坏Erg-DOPC相互作用，但对DPPC-Chol复合物影响有限。

【3.4.3. FCIL与膜脂的相互作用】
FCIL与DOPC(不饱和磷脂)显示吸引作用，而与DPPC(饱和磷脂)为排斥作用。与Erg的相互作用呈破坏性，而与Chol为吸引性，这解释了其对真菌膜的选择性。

【3.5. 分子动力学】
模拟显示FCIL与DOPC的静电(-8770 kJ/mol)和范德华(-10811 kJ/mol)作用强于与DPPC的相应作用。FCIL与Erg的相互作用(-2540 kJ/mol)弱于与Chol的相互作用(-2950 kJ/mol)，但真菌膜系统总静电能(13937 kJ/mol)低于哺乳动物膜系统(32807 kJ/mol)，表明前者更稳定。

这项研究通过多学科方法揭示了[C₁₄-Im-CH₂OMen][Cl]的抗真菌分子机制。其选择性源于：(1)与不饱和磷脂DOPC的强相互作用；(2)通过π-π作用靶向Erg的共轭双键；(3)哺乳动物膜中DPPC与Chol的紧密堆积阻碍FCIL掺入。这些发现不仅为设计选择性抗真菌剂提供了新思路，也展示了实验与计算相结合的方法在理解分子机制中的价值。该FCIL的低哺乳动物细胞毒性使其有望发展为新型抗真菌药物或消毒剂，为解决日益严峻的耐药性问题提供了潜在解决方案。