生物膜是微生物在固-液界面形成的被膜結(jié)構(gòu)，由細(xì)胞外多糖、蛋白質(zhì)、DNA 等生物分子及多種微生物群落組成，形成肉眼可見的粘膜狀物質(zhì)。生物膜是細(xì)菌抵抗環(huán)境脅迫的主要屏障，也是耐藥微生物擴(kuò)散的重要途經(jīng)。傳統(tǒng)殺菌劑抗生物膜性能有限，長(zhǎng)期使用還會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性進(jìn)化。如何有效抑制細(xì)菌生物膜形成且不引發(fā)耐藥性的擴(kuò)散，是環(huán)境、醫(yī)療、食品加工等領(lǐng)域面臨的科學(xué)難題。
微生物的群體效應(yīng)（QS）是調(diào)控生物膜形成的重要分子機(jī)制。微生物通過外泌信號(hào)分子（AHL），實(shí)現(xiàn)菌群間的通訊交流，從而協(xié)同構(gòu)建生物被膜結(jié)構(gòu)。蘇州大學(xué)李瑞賓教授團(tuán)隊(duì)與北京化工大學(xué)劉惠玉教授團(tuán)隊(duì)基于生物膜形成的分子機(jī)制，提出了催化降解AHL信號(hào)分子、阻斷菌群通訊，抑制生物膜形成的新策略。（圖1）
圖1合成Zn-Nx-C中心納米類內(nèi)酯酶催化降解AHL分子抑制生物膜形成 通過仿生降解AHL的內(nèi)酯酶活性中心，合成了一系列具有Zn-Nx-C結(jié)構(gòu)的納米材料。在Zn-Nx-C處理的AHL標(biāo)準(zhǔn)樣品中，液相色譜-質(zhì)譜成功檢出了降解產(chǎn)物，該類納米材料對(duì)AHL的催化降解效率可達(dá)77.5%（圖2），證明Zn-Nx-C具有類內(nèi)酯酶活性。接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)利用多藥耐藥銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）模型，進(jìn)一步證明Zn-Nx-C能夠降解微生物外泌的AHL信號(hào)分子，干擾QS信號(hào)通路，抑制細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)的形成（圖3）。在真實(shí)水體環(huán)境中，Zn-Nx-C涂敷層可有效抑制船體材料表面生物膜的形成。蘇杭大運(yùn)河暴露30天后，Zn-Nx-C涂敷層對(duì)生物膜的抑制效率高達(dá)80.3%（圖4）。綜上所述，該研究首次報(bào)道了具有類內(nèi)酯酶活性的納米材料，并且證實(shí)了Zn-Nx-C能夠催化降解耐藥微生物的AHL分子，抑制生物膜形成。 圖2 Zn-Nx-C材料的類內(nèi)酯酶活性評(píng)價(jià) (A) AHL信號(hào)分子水解反應(yīng)示意圖；(B) AHL分子水解產(chǎn)物的LC-MS表征；(C) Zn-Nx-C系列材料類內(nèi)酯酶活性比較；(D) Zn-Nx-C材料活性中心驗(yàn)證。 圖3 Zn-Nx-C對(duì)P. aeruginosa群體感應(yīng)信號(hào)通路及生物膜形成的影響 (A) 細(xì)菌外泌的AHL信號(hào)分子檢測(cè)；(B) 群體感應(yīng)影響基因通路示意圖；(C) 群體感應(yīng)通路中關(guān)鍵基因表達(dá)量檢測(cè)；(D) 生物膜結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡和共聚焦顯微鏡圖像；(E) 結(jié)晶紫染色法定量生物膜結(jié)構(gòu)的形成。 圖4 Zn-Nx-C對(duì)船體表面生物沉積的防控效果評(píng)價(jià) (A) 光學(xué)及熒光成像表征Zn-Nx-C修飾對(duì)表面生物膜形成的影響；(B) 生物沉積量的相對(duì)定量結(jié)果。 論文信息 Nano-enabled Quenching of Bacterial Communications for the Prevention of Biofilm Formation Dr. Meng Gao, Dr. Bolong Xu, Dr. Yang Huang, Jiayu Cao, Lili Yang, Dr. Xi Liu, Alisher Djumaev, Di Wu, Moxichexra Shoxiddinova, Xiaoming Cai, Behruz Tojiyev, Dr. Huizhen Zheng, Prof. Xuehua Li, Prof. Kunduz Normurodova, Prof. Huiyu Liu, Prof. Ruibin Li 蘇州大學(xué)高夢(mèng)副研究員、北京化工大學(xué)徐柏龍博士為該論文的第一作者，蘇州大學(xué)為第一通訊單位，蘇州大學(xué)李瑞賓教授、北京化工大學(xué)劉惠玉教授為共同通訊作者。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202305485
