东北农业大学博士生以第一作者身份发表Science Advances

近日，东北农业大学动物科学技术学院单安山教授团队再次在国际顶级学术期刊Science Advances（Science子刊，中科院一区Top期刊，五年影响因子14.1）在线发表研究成果，题为“Proteolytic-Resistant Self-Assembling Peptide Nanofibers Combat Specific Bacterial Infections via Trap-and-Kill”。东北农业大学2022级博士研究生于伟康为本文第一作者。

该成果通过扫描阳离子氨基酸侧链长度，首次成功构建了具备抗酶解、诱捕杀死及特异性靶向多功能化抗菌肽纳米纤维，以对抗特定细菌感染。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等资助。

在畜牧业饲料端禁抗背景下，急需寻找缓解耐药性细菌危机的潜在替代技术。目前抗菌肽作为替抗饲料添加剂仍然面临诸多挑战。如抗菌策略过于简单，旨在直接杀死细菌而不考虑抑制宿主-病原体相互作用等关键需求，缺乏创新的饲用理念。过去的研究追求广谱抗菌肽的开发，忽略了具有靶向分子以维护肠道健康菌群的特异性。以及胃肠消化系统、心血管系统存在的蛋白酶导致生物学功效丧失。基于此类局限性，本工作结合自组装系统和抗菌肽分子理化性质，通过阳离子氨基酸扫描技术对本实验室自主研发的抗菌肽Ndab（已发表于Advanced Fiber Materials，2024）的亲水氨基酸进行替换。系统解析了所得系列衍生肽的生物学功能、生物相容性、自组装潜力、诱捕功能、靶向特异性以及蛋白酶抗性的潜在联系。研究结果表明，通过监测阳离子氨基酸侧链长度的变化，优化的Nhar被鉴定为有效解决以上限制的多功能标志肽。首先，在水介质中，Nhar自组装为纳米纤维，在与细菌接触后形成纳米网状结构将细菌诱捕并防止其传播，避免与宿主细胞接触引起发病。这种诱捕功能是非特异性的，无论在体内或体外都表现出有效性。随后，Nhar通过破坏革兰氏阳性细菌的细胞壁和膜组分的完整性、干扰核糖体的自组装及功能、导致转录、翻译、氨基酸代谢和能量耗散的破坏，通过多模式协同作用诱导金黄色葡萄球菌的程序性死亡。对于革兰氏阴性菌，例如大肠杆菌，尽管Nhar通过静电相互作用与脂多糖和外膜结合并诱导膜流动性的改变，然而Nhar没有展现出穿透内膜或诱导细菌内部损伤的有利证据，表明Nhar仅部分抑制大肠杆菌的生长，而不是完全的杀灭活性，这有利于对肠道益生菌的保护。由于非天然氨基酸和分子自组装系统的双重加固，Nhar具备强力的蛋白酶抗性，具备研发饲用的潜质。

本研究亦阐明：（1）阳离子氨基酸侧链的长度直接影响分子自组装的强度，这是由阳离子-Π相互作用决定的，且精氨酸衍生物对分子自组装的贡献往往优于赖氨酸衍生物。（2）阳离子氨基酸侧链长度与抗菌活性及细胞毒性密切相关。（3）阳离子氨基酸侧链长度是影响抗菌谱变化的直接因素，而较强的自组装趋势会降低抗菌活性并改变抗菌谱。（4）纳米纤维含量或自组装强度与诱捕功能显著相关。（5）自组装强度也是影响抗菌活性和细胞毒性关键因素。本研究提出了“自组装阈值”的概念，即低于自组装阈值，抗菌活性增强，细胞毒性降低;而超过自组装阈值，抗菌活性降低，细胞毒性增加。这与传统观点形成了鲜明对照，传统观点只笼统认为自组装的影响是有益的或有害的。

本研究突破了抗菌肽在胃肠道中作用模式受限的理论壁垒与核心技术，提升了动物健康保障能力，这一成果对饲用抗菌肽研发应用具有重要科学意义与产业价值。

据悉，于伟康在导师单安山教授悉心指导下，硕-博期间专攻自组装抗酶解型饲用小分子肽的研发与利用方向，不断取得可喜进展，以第一作者发表于Science Advances、Advanced Fiber Materials、Materials Today Bio、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Medicinal Chemistry等高水平期刊。他还获得了中国科协青年托举人才-博士生专项支持。期望他再接再厉，多创佳绩，为学校双一流学科建设与发展多做贡献。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx0153