β-内酰胺抗生素与牛血清白蛋白的多构象结合机制研究：实验与卷积神经网络模型的整合分析

本研究针对β-内酰胺抗生素（氯唑西林和双氯西林）与牛血清白蛋白（BSA）的构象结合机制这一未解难题，通过整合光谱荧光实验与卷积多构象计算模型，首次揭示了双氯西林更强的疏水相互作用和空间互补性特征。研究发现BSA结合位点存在诱导契合机制，并建立了时间依赖性构象变化模型，为抗生素药代动力学优化提供了新思路。

　　

在抗生素研发领域，β-内酰胺类药物的蛋白结合特性直接影响其体内分布和疗效，但传统研究方法难以捕捉动态构象变化这一关键因素。牛血清白蛋白（BSA）作为人体血清蛋白的模型蛋白，其与抗生素的相互作用机制尚存诸多未解之谜。特别是临床上广泛使用的氯唑西林（cloxacillin）及其衍生物双氯西林（dicloxacillin），虽然结构相似却存在显著药效差异，这种差异是否源于它们与转运蛋白的相互作用差异，成为困扰研究人员的核心问题。

Millennium Nucleus in NanobioPhysics（N2BP）的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表的研究中，创新性地将荧光光谱技术与深度学习算法相结合。通过 Stern-Volmer 淬灭常数分析揭示双氯西林更强的结合亲和力，并运用3D深度卷积神经网络（3D-DCNN）构建多构象模型，首次定量描述了BSA结合口袋的动态构象变化特征。这项研究不仅阐明两种抗生素的差异结合机制，更为理性药物设计提供了可预测蛋白质构象变化的新工具。

研究人员采用光谱荧光法测定结合参数，结合盲分子对接技术定位BSA（PDB ID:3V03）的五个最佳结合位点，并创新性地引入基于Voronoi曲面细分的机器学习算法预测结合口袋。通过构建卷积多构象模型，实现了对BSA-抗生素复合物时间依赖性构象变化的动态模拟。

【结构基础与构象分析】
分子对接显示双氯西林在BSA的Site I形成更稳定的疏水相互作用网络，其结合自由能较氯唑西林低1.8 kcal/mol。3D-DCNN模型识别出抗生素苯环上的氯原子取代基是决定结合特异性的关键因素。

【实验验证】
荧光淬灭实验证实静态淬灭占主导，双氯西林的结合常数（K_b）达氯唑西林的2.3倍。温度依赖性分析表明疏水作用在双氯西林结合中贡献度达68%，显著高于氯唑西林的52%。

【动态构象模型】
卷积多构象模拟揭示双氯西林诱导BSA的亚结构域IIA发生"收缩-旋转"构象变化，这种变构效应使结合口袋体积缩小15%，形成更紧密的疏水核心。而氯唑西林仅引起局部环区构象调整。

这项由Michael González-Durruthy、Ramón Rial和Sabina Arias等学者完成的研究，通过实验与计算的完美结合，首次证明抗生素苯环上的卤素取代模式通过调控蛋白质动态构象影响结合亲和力。所建立的卷积多构象模型突破了传统分子对接的静态局限，能够捕捉结合过程中的关键构象中间态。这些发现不仅为理解β-内酰胺药物的血清蛋白结合特性提供新视角，其研究方法更可推广至其他蛋白-配体体系，在指导抗生素结构优化、预测体内分布特性等方面具有重要应用价值。特别是对含卤素药物的设计，研究提示可通过精确调控取代基来优化蛋白结合动力学参数。