抑制致病性大肠杆菌血红素劫持的新型蛋白质设计策略

本研究针对致病性大肠杆菌(E. coli)通过外膜转运蛋白ChuA劫持宿主血红蛋白(Hb)血红素的感染机制，结合冷冻电镜(Cryo-EM)、X射线晶体学和人工智能蛋白质设计(RFdiffusion)，开发出能特异性阻断ChuA与Hb结合的纳米级抑制剂，在纳摩尔浓度下有效抑制细菌生长，为抗耐药菌感染提供了新型干预策略。

　　

在细菌与宿主的军备竞赛中，铁元素争夺战始终是核心战场。致病性大肠杆菌(E. coli)及其近缘志贺菌(Shigella)通过外膜转运蛋白ChuA"海盗式"劫持宿主血红蛋白(Hb)中的血红素，这是其突破宿主营养免疫的关键武器。随着抗生素耐药性问题日益严峻，世界卫生组织将E. coli列为三大耐药优先病原体，开发针对细菌营养摄取通路的新型抑制剂迫在眉睫。

Monash University的研究团队通过多学科交叉方法，首次揭示了ChuA动态提取血红素的分子机制。研究发现ChuA以二聚体血红蛋白(αβHb/αγHb)为最优底物(EC₅₀=44-53 nM)，通过胞外loop7/8与Hb瞬时相互作用，关键组氨酸His-420和His-86协同完成血红素提取。基于此，团队运用RFdiffusion人工智能平台设计了靶向ChuA的抑制蛋白，其中G7和H3以皮摩尔级亲和力(KD=71.4-84.9 nM)特异性结合ChuA，通过空间位阻阻断Hb结合，在纳米浓度下抑制细菌生长。

研究采用冷冻电镜解析ChuA-抑制剂复合物结构(分辨率2.5-3?)，结合X射线晶体学获得ChuA-血红素复合物结构(2.8?)，并通过AlphaFold2/3建模阐明动态转运机制。表型分析采用基因工程菌株E. coli_{ΔTBDT::ChuOP}，结合生物膜干涉技术(BLI)定量互作强度。

ChuA靶向血红蛋白作为其高亲和力底物
通过构建全TBDT敲除菌株，发现ChuA对血红蛋白的利用效率比游离血红素高7倍(αγHb EC₅₀=44 nM vs 血红素350 nM)，且能突破触珠蛋白(Hp)的宿主防御机制。BLI检测显示ChuA与αβHb的KD为71.5 nM，具有快速结合-解离特征。

ChuA通过胞外loop结合血红素和血红蛋白
晶体结构显示血红素结合在loop7的His-420位点。AlphaFold2建模预测βHb亚基与loop7/8相互作用，血红素铁中心距His-420仅8.5?，空间冲突可能促进血红素转移。实验证实血红蛋白-纳米抗体复合物(NbE11)不影响ChuA功能，而血红蛋白-触珠蛋白复合物(Hp-Hb)的利用效率降低4倍。

His-420和His-86是血红蛋白利用必需位点
突变分析显示His-420A完全丧失功能，His-86A使αβHb利用率降低32倍。AlphaFold3建模揭示双组氨酸协同的变构机制：血红素先由His-420捕获，再通过loop7/8构象变化传递给plug结构域的His-86完成内化。

从头设计的ChuA结合剂阻断血红素摄取
从20,000个计算设计中筛选的抑制剂G7对ChuA的IC₅₀达42.5 nM，晶体结构显示与设计模型高度吻合(RMSD=0.6?)。冷冻电镜解析的ChuA-G7复合物(2.97?)证实其完全占据Hb结合界面，而血红素结合口袋仅轻微冲突，解释了对Hb特异性抑制的现象。

该研究不仅阐明ChuA"海盗式"血红素获取的原子机制，更开创性地证明人工智能设计蛋白可精准调控膜转运蛋白功能。这种"营养阻断"策略为对抗耐药菌感染提供了新范式，其技术路线可推广至其他病原体的必需营养转运系统研究。论文展示的从机制解析到抑制剂设计的完整闭环，为抗感染药物开发提供了创新模板。