铜绿假单胞杆菌（铜绿杆菌）在自然界中广泛存在，已有研究表明其对人类的免疫系统产生影响，从而引起感染性疾病发生。目前铜绿杆菌已对多种抗生素产生耐药性，因而发展新型抗菌方法尤为重要。抗菌材料作用于细菌时，需与细菌表面结合，而目前基于静电吸引与疏水作用的结合方式具有结合力低、非特异性结合等缺点。因此亟需开发一种具有多重结合、多价作用的结合方法实现抗菌材料与细菌有效结合，实现高效特异性地杀菌的效果。
近日，北京科技大学李立东教授团队与中国科学院化学研究所王树研究员团队合作，基于细菌凝集素与糖特异性识别的原理，设计出了一种新型的“糖桥”方法。将糖类小分子引入细菌表面原位增加结合靶点，实现了荧光共轭聚合物在细菌表面的可控靶向富集（图1）。他们制备了表面带有苯硼酸和季铵盐双官能团的共轭聚合物纳米粒子，其能与经乳果糖处理的铜绿杆菌产生良好的相互作用。乳果糖分子中的半乳糖和果糖结构能够分别与凝集素和苯硼酸结合，作为“糖桥”将细菌与纳米粒子连接起来；同时，纳米粒子表面的季铵盐阳离子可与细菌表面通过静电力相互吸引，从而增强纳米粒子与细菌的结合效果。这种双重结合的作用模式使得纳米粒子紧密富集在细菌表面，光照下荧光共轭聚合物产生的大量活性氧可有效地杀灭细菌。
图1. 铜绿杆菌与荧光共轭聚合物纳米粒子之间“糖桥”示意图
他们首先研究了不同糖类分子对荧光纳米粒子与细菌结合的影响（图2），结果表明乳果糖分子作为“糖桥”能够促进荧光纳米粒子在细菌表面的富集。乳果糖分子中的半乳糖结构与细菌表面的凝集素LecA可以特异性结合，另外果糖结构与纳米粒子表面苯硼酸之间产生CH-π相互作用，促进顺式二醇结构与苯硼酸形成多重共价键。
图2. (a) 四种糖类的分子结构；(b) 共聚焦荧光成像图
为深入研究材料与细菌的结合过程，研究人员通过等温滴定量热技术对结合过程中热量的微观变化进行了实时监测。研究数据表明，乳果糖处理的菌与纳米粒子间存在明显的双重驱动力。从热力学角度证明了乳果糖可作为“糖桥”实现荧光聚合物与细菌的高靶向结合。通过模拟计算进一步在分子水平探究了糖分子、凝集素和苯硼酸基团的结合模式。分子对接模拟计算结果（图3）表明乳果糖分子对凝集素蛋白和苯硼酸基团均有较高的亲和力，验证了乳果糖作为“糖桥”连接铜绿杆菌和纳米粒子的作用机制，从理论上证明了“糖桥”的适用性。与无“糖桥”的体系相比，“糖桥”方法用于光照杀菌实验效率明显提升，抗菌效率可高达97%。
图3. 糖分子、凝集素及苯硼酸的分子对接模拟
该研究工作利用“糖桥”的新方法，促进了抗菌材料在铜绿假单胞菌表面的靶向聚集，为分子水平上深入研究抗菌材料与细菌相互作用规律提供了新思路。
该项目得到国家自然科学基金的资助（51673022, 51703009）。
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