基于肽—膜相互作用的模拟细胞膜法筛选抗菌肽的研究

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抗菌肽是一类具有抗菌活性的小分子短肽,为宿主天然免疫防御系统的重要组成,具有分子量小、热稳定性高、抗菌谱较广等特点。抗菌肽具有不同于传统抗生素的抗菌机制,可有效解决细菌耐药性难题,在医药、食品、饲料加工等领域具有广阔的开发应用前景。天然抗菌肽来源有限,且传统分离纯化步骤繁琐、分离效率低下、产量不高,极大限制了其规模化生产和应用。因此,建立新型、高效、靶向性强的筛选方法,已成为相关研究者所关注的焦点。研究证实抗菌肽发挥其抑菌作用的首要步骤是与细菌细胞膜相互作用,大部分抗菌肽都具有膜亲和特性。离体条件下组装的模拟细胞膜已被作为模型膜用于研究抗菌肽的膜作用机制,但尚未见以此为亲和媒介筛选抗菌肽的相关研究。本论文基于抗菌肽与模拟细胞膜的亲和作用,将模拟细胞膜、固相萃取、高效液相色谱和平衡透析技术结合,构建三种新型抗菌肽筛选分离方法,并进行了实际应用研究,对规模化开发利用新型抗菌肽资源,提高人类营养和健康水平具有重要意义。首先,采用涂敷法制备磷脂模拟细胞膜固定相,通过测定吸附等温线计算饱和固定量,以此来确定固定相制备过程中磷脂的添加量并保证实验重现性。荧光泄露法证实磷脂以脂双层形式固定于硅胶基质上。利用磷脂模拟细胞膜固相萃取联合HPLC技术成功从卵白蛋白胃蛋白酶水解产物中分离得到一种新型抗菌肽。采用基质辅助激光解析电离四级杆飞行时间质谱鉴定其氨基酸序列为RVASMASEKMKI,将其命名为Opep12。该应用表明利用磷脂模拟细胞膜固相萃取联用HPLC技术分离抗菌肽是可行的。其次,利用大肠杆菌脂质构建大肠杆菌模拟细胞膜色谱法。该色谱固定相在一定的温度(≤25℃)及盐浓度(≤50mmol/L)范围内有较好的稳定性。缓冲液种类、pH和盐浓度影响模型肽在该色谱柱上的保留行为;缓冲液种类不同导致三种模型肽出峰顺序的变化。选择10mmol/L,pH7.2,含50mmol/L NaCl的PBS缓冲液作为大肠杆菌模拟细胞膜色谱分析抗菌肽的流动相。利用大肠杆菌模拟细胞膜色谱从鳀鱼粗肽提取液中分离得到一个新型抗菌肽。鉴定出其氨基酸序列为GLARCLAGTL,将其命名为Apep10。细菌脂源模拟细胞膜色谱较真实的反映了抗菌肽与细菌脂膜之间的相互作用,并可实现抗菌肽的连续性分离收集。再者,采用金黄色葡萄球菌脂质构建平衡透析体系。将其应用于鳀鱼蒸煮液蛋白水解物中抗菌肽的筛选,鉴定出筛选所得肽的氨基酸序列为GLSRLFTALK,将其命名为ACWpep10。该应用验证了细菌脂源模拟细胞膜平衡透析法在抗菌肽筛选中的可行性,并实现了针对某类菌株有较强抑制作用的抗菌肽的靶向性筛选。三种抗菌肽的理化性质分析表明,三者均为阳离子型抗菌肽,具有一定的疏水性。三种肽对受试革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有抑菌活性,其中革兰氏阴性菌对Opep12和Apep10较为敏感,而革兰氏阳性菌对ACWpep10较为敏感。敏感菌在三者的作用下,细胞膜磷脂双分子层疏水区域暴露、细胞膜通透性增加、完整性遭到破坏,胞内K+离子和核酸类物质溢出。以七种高纯模型肽为研究对象,比较了前述三种方法中抗菌肽与模拟细胞膜的相互作用程度与抗菌活性的相关性。分析结果表明:磷脂模拟细胞膜固相萃取中肽-膜结合率与大肠杆菌MIC和金黄色葡萄球菌MIC均无显著相关(P>0.05),大肠杆菌模拟细胞膜色谱中容量因子与大肠杆菌MIC极显著负相关(P<0.01),金黄色葡萄球菌模拟细胞膜平衡透析中肽-膜结合率与金黄色葡萄球菌MIC显著负相关(P<0.05)。模型肽与来源于真实细菌脂质的模拟细胞膜的相互作用更具仿真性,在一定程度上能预测其抗菌性能。共聚焦显微拉曼光谱分析证实抗菌肽ACWpep10可使模拟细胞膜脂链的无序性增强,脂膜的侧向堆积松弛化,膜的流动性增加,其与金黄色葡萄球菌模拟细胞膜的相互作用强于与大肠杆菌模拟细胞膜和与磷脂模拟细胞膜的相互作用。毛细管电泳分析结果表明三种模拟细胞膜与ACWpep10的结合常数大小依次为:金黄色葡萄球菌模拟细胞膜>大肠杆菌模拟细胞膜>磷脂模拟细胞膜。三种模拟细胞膜的脂质成分分析表明,三者的磷脂构成有较大差异。不同磷脂的烃基链疏水性质和极性头电荷状态的差异,引起三种脂膜与抗菌肽相互作用的强弱不同,最终导致对抗菌肽辨识度和亲和性的差异。综上所述,本文基于抗菌肽与模拟细胞膜的相互作用原理,根据分离操作的连续性程度,利用不同脂质来源的模拟细胞膜建立了三种新型抗菌肽筛选分离方法,并分别采用此三种方法分离纯化得到新型阳离子抗菌肽。分析了所得抗菌肽对于敏感菌的膜作用方式,证实了细菌细胞膜是其发挥抗菌机制的重要作用靶点。比较了三种方法中的模拟细胞膜与模型肽的相互作用差异。研究结果为利用模拟细胞膜高效筛选抗菌肽提供了理论基础。
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