氧化石墨烯对β-内酰胺酶的广谱抑制作用机制研究：从分子互作到临床耐药性调控

为解决抗生素耐药性这一全球健康威胁，意大利研究团队通过动力学实验、X射线光电子能谱(XPS)和密度泛函理论(DFT)系统研究了氧化石墨烯(GO)对9种β-内酰胺酶(BLs)的抑制作用。研究发现0.5 μg mL-1低浓度GO即可显著抑制所有丝氨酸β-内酰胺酶(SBLs)和单体金属β-内酰胺酶(MBLs)活性，XPS证实GO通过赖氨酸残基与酶结合形成非竞争性抑制。该研究为开发新型纳米抗菌剂提供了理论依据，论文发表于《RSC Advances》。

　　

抗生素耐药性已成为21世纪最严峻的公共卫生挑战之一，其中β-内酰胺类抗生素的失效尤为突出。细菌通过产生β-内酰胺酶(BLs)来水解抗生素中的β-内酰胺环，使药物失活。这些酶分为丝氨酸β-内酰胺酶(SBLs)和金属β-内酰胺酶(MBLs)两大类，其中新德里金属β-内酰胺酶(NDM-1)等"超级耐药酶"的出现让临床治疗陷入困境。传统抑制剂开发面临靶点单一、耐药突变快的瓶颈，迫切需要寻找能广谱抑制多种BLs的新型材料。

氧化石墨烯(GO)作为二维纳米材料的代表，具有独特的表面化学性质和生物相容性。先前研究表明GO能与蛋白质相互作用，但其对BLs的抑制效果和机制尚不明确。为此，来自意大利的研究团队在《RSC Advances》发表了开创性研究，系统评估了GO对5类SBLs和4类MBLs的抑制作用，并深入揭示了分子互作机制。

研究人员采用多学科交叉方法：通过动力学实验测定GO浓度和时间依赖的酶活性抑制；利用扫描电镜(SEM)表征GO形貌；结合X射线光电子能谱(XPS)分析GO与NDM-1的相互作用界面；采用密度泛函理论(DFT)模拟GO与底物硝基头孢菌素(nitrocefin)的分子互作。临床分离的BLs包括SHV-1、CTX-M-15等SBLs和NDM-1、VIM-1等MBLs。

GO形貌表征显示所用GO片层尺寸达微米级，确保研究反映的是GO基面而非边缘效应。DFT计算发现nitrocefin通过硫原子与GO的氧原子形成化学键，结合能比其它构型低2.7-3.3 eV。XPS证实混合体系中nitrocefin的S 2p谱出现166.2 eV和168.2 eV新峰，对应硫氧化形成的亚砜和砜结构。动力学实验显示GO预孵育nitrocefin会使抑制效率降低31%，证实底物竞争性吸附。

在GO浓度依赖性实验中，0.5 μg mL^-1的GO即可使所有SBLs活性降至10%以下，这一浓度比既往报道低一个数量级。时间依赖性实验显示SBLs抑制遵循对数曲线，90分钟可完全抑制。MBLs中，单体酶NDM-1、VIM-1和CphA的抑制效果与SBLs相似，而四聚体L1仅被抑制50%，表明酶寡聚状态影响GO抑制效率。

XPS分析NDM-1与GO互作时发现：Zn 2p_3/2谱无化学位移，排除活性中心锌原子参与作用；C 1s谱中284.6 eV峰显示GO被部分还原，286.1 eV和288.0 eV峰对应C-N和酰胺键形成；N 1s谱从400.8 eV移至400.3 eV，与赖氨酸修饰GO的文献报道一致。通过比较9种BLs的结构特征，发现SBLs平均每kDa含0.95个正电残基(Arg+Lys)，高于MBLs的0.68个，这与SBLs更易被抑制的实验现象相符。

该研究首次系统证明GO对多类BLs具有广谱抑制作用，其机制是通过氧化GO基面与酶表面的赖氨酸残基形成共价键，导致酶构象变化而失活。这种非竞争性抑制模式不受常见耐药突变影响，且GO在极低浓度(0.5 μg mL^-1)下即显效，为开发不易诱发耐药性的纳米抗菌剂提供了新思路。特别值得注意的是，GO对NDM-1等"超级耐药酶"的有效抑制，为应对碳青霉烯类抗生素耐药危机提供了潜在解决方案。研究揭示的四聚体L1抗性现象，也为后续纳米抑制剂设计提供了结构优化方向。