18新利体育 李瑞宾教授团队长期致力于纳米毒理/药理学研究。前期研究发现了多种类酶活性的纳米材料，如SnSe纳米片具有类脱氢酶（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 3618）活性、Fe-N掺杂石墨烯具有类NAD(P)H氧化酶（J. Am. Chem. Soc. 2020, 19602; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 3108−3120）活性、CeO2具有类碱性磷酸酶活性（Nano Today, 2022, 44, 101456）。纳米材料的类酶活性可能干扰细胞代谢，诱发毒性效应（Nat Commun 2020, 3484）。团队由此发展了一系列构效关系指导的安全性修饰策略、减低纳米毒性效应（Angew Chem Int Ed 2020, 22431; Small 2020, 1907663）。近日，李瑞宾教授团队与北京化工大学刘慧玉教授团队合作，通过仿生内酯酶活性中心，合成了具有类酶催化活性的Zn-Nx-C纳米材料，可高效催化微生物群体感应信号分子（高丝氨酸内酯类化合物，AHL）的降解，抑制环境中细菌生物膜的形成（图1）。
图1合成Zn-Nx-C中心纳米类内酯酶催化降解AHL分子抑制生物膜形成
生物膜是微生物在固-液界面形成的被膜结构，由细胞外多糖、蛋白质、DNA 等生物分子及多种微生物群落组成，形成肉眼可见的粘膜状物质。生物膜是细菌抵抗环境胁迫的主要屏障，也是耐药微生物扩散的重要途经。传统杀菌剂抗生物膜性能有限，长期使用还会导致细菌耐药性进化。如何有效抑制细菌生物膜形成且不引发耐药性的扩散，是环境、医疗、食品加工等领域面临的科学难题。
微生物的群体效应（QS）是调控生物膜形成的重要分子机制。微生物通过外泌信号分子（AHL），实现菌群间的通讯交流，从而协同构建生物被膜结构。研究团队基于生物膜形成的分子机制，提出了催化降解AHL信号分子、阻断菌群通讯，抑制生物膜形成的新策略。通过仿生降解AHL的内酯酶活性中心，合成了一系列具有Zn-Nx-C结构的纳米材料。在Zn-Nx-C处理的AHL标准样品中，液相色谱-质谱成功检出了降解产物，该类纳米材料对AHL的催化降解效率可达77.5%（图2），证明Zn-Nx-C具有类内酯酶活性。接下来，研究团队利用多药耐药铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）模型，进一步证明Zn-Nx-C能够降解微生物外泌的AHL信号分子，干扰QS信号通路，抑制细菌生物膜结构的形成（图3）。在真实水体环境中，Zn-Nx-C涂敷层可有效抑制船体材料表面生物膜的形成。苏杭大运河暴露30天后，Zn-Nx-C涂敷层对生物膜的抑制效率高达80.3%（图4）。综上所述，该研究首次报道了具有类内酯酶活性的纳米材料，并且证实了Zn-Nx-C能够催化降解耐药微生物的AHL分子，抑制生物膜形成。
图2 Zn-Nx-C材料的类内酯酶活性评价
(A) AHL信号分子水解反应示意图；(B) AHL分子水解产物的LC-MS表征；(C) Zn-Nx-C系列材料类内酯酶活性比较；(D) Zn-Nx-C材料活性中心验证。
图3 Zn-Nx-C对P. aeruginosa群体感应信号通路及生物膜形成的影响
(A) 细菌外泌的AHL信号分子检测；(B) 群体感应影响基因通路示意图；(C) 群体感应通路中关键基因表达量检测；(D) 生物膜结构的扫描电子显微镜和共聚焦显微镜图像；(E) 结晶紫染色法定量生物膜结构的形成。
图4 Zn-Nx-C对船体表面生物沉积的防控效果评价
(A) 光学及荧光成像表征Zn-Nx-C修饰对表面生物膜形成的影响；(B) 生物沉积量的相对定量结果。
相关成果以“Nano-enabled Quenching of Bacterial Communications for the Prevention of Biofilm Formation”为题发表于Angew. Chem. Int. Ed.杂志，18新利体育 高梦副研究员、北京化工大学徐柏龙博士为该论文的第一作者，18新利体育 为第一通讯单位，18新利体育 李瑞宾教授、北京化工大学刘惠玉教授为共同通讯作者。论文地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202305485。