ε-聚赖氨酸-乳蛋白自组装体的可控构建及其抑菌机制的研究

ε-polylysine (EPL), as a natural homopolymer consisting of L-lysine, present a broad antimicrobial spectrum and powerful antimicrobial potency. However, there are reverse effects on which EPL may interact with macroionic components within the food matrix. In this project, we will focus on three self-assembly systems and followed by the nano-scale complexes, respectively, comprised of the EPL and casein micelle, α-lactalbumin and β-lactoglobulin which derived from bovine milk. The detailed descriptions of both the self-assembly processes and the complexes will be elucidated by the combined experimental approaches of titrimetric, scattering, spectroscopic, microscopic, calorimetric techniques, etc. The Monte Carlo coarse grained model will be adopted synergistically in addressing key issues of the systems at the molecular level. Meanwhile, the biological activity of the complexes will be discussed in their antimicrobial properties and mechanism, and the internal relationships between the constructions and functions of the complexes will be investigated as well. We would like to propose both the simulation and experimental strategies in the field of self-assembly systems comprised of the EPL and bovine milk proteins, which will provide a prospect for the accurate interpretation, prediction, and even control of the EPL-protein systems. Moreover, the comprehension of the fundamental principle of the systems will facilitate the formulation of nano-scale complexes under the specific circumstance that could re-estimate the practical application of EPL in somehow.

ε-聚赖氨酸是由L-赖氨酸组成的天然共聚物，具有广谱和高效的抑菌特性，但ε-聚赖氨酸在实际应用中会与食品中的蛋白质相互作用而降低或丧失其抑菌性，并影响食品的品质。本项目以牛乳中的主要蛋白质——酪蛋白、α-乳白蛋白和β-乳球蛋白为对象，系统研究ε-聚赖氨酸-乳蛋白形成的自组装体系。通过光散射学、光谱学、显微技术以及量热学等研究手段，阐明自组装行为所涉及的物理化学变化，表征自组装体的相关特性。利用蒙特•卡罗模拟研究自组装行为的分子机制。构建可控的纳米自组装体，揭示自组装体的结构与功能的关系，探究自组装体的抑菌机制，为重新评价ε-聚赖氨酸在富含蛋白质食品中的应用奠定理论基础。

ε-聚赖氨酸是白色链霉菌的次级代谢产物，是由25-35个L-赖氨酸组成的抗菌肽。由于其广谱的抑菌效力和无毒特性，ε-聚赖氨酸在世界范围内已被用作安全和天然的食品防腐剂。近年来，ε-聚赖氨酸与生物大分子通过非共价相互作用所形成的产物以其独特的结构和性质，吸引了诸多研究者的兴趣，但对于两者间的作用机制仍缺乏系统性的研究。因此，本项目研究具有不同拓扑结构的蛋白质与ε-聚赖氨酸间的作用机制，总结归纳了非共价相互作用驱动的ε-聚赖氨酸-蛋白质间跨尺度相互作用的一般特征，为基于ε-聚赖氨酸和蛋白质的复杂系统的设计和应用提供理论参考。表征了ε-聚赖氨酸/乳蛋白体系相转变的多尺度。等摩尔比例或过量的ε-聚赖氨酸与乳蛋白结合后会产生“过度充电”效应，改变乳蛋白表面电荷分布情况，进而影响乳蛋白的自聚集形态。ε-聚赖氨酸/乳蛋白体系的中间相聚集体为纳米级的紧密球形或椭球型，具有多分散特点，而沉淀相是微米级的无定型结构，呈松散的多孔性特征。ε-聚赖氨酸和乳蛋白间的复合物的形成主要受静电吸引力的驱动，前者通过调整自身的构象结合到后者表面的负电荷区域。疏水相互作用和分子间氢键作用是中间相和沉淀相形成的主要驱动力。不同长度尺度的非共价作用力间的协同和竞争导致了ε-聚赖氨酸/乳蛋白体系的不连续和跨尺度的特征。ε-聚赖氨酸与酪蛋白间的亲和性较强并具有明显的相分离产生，但与各酪蛋白组份间没有选择性的差异。据此提出了静电相互作用的可逆平衡与疏水相互作用的不可逆平衡之间的竞争理论，并结合能量最小化原则，解释了乳蛋白疏水氨基酸残基的分布对它们与ε-聚赖氨酸间亲和性的影响。复合物和单层POPG膜的相互作用主要为氢键、盐桥、静电相互作用和范德瓦尔斯力等，ε-聚赖氨酸肽键中的氨基是复合物参与相互作用的主要位点，能够稳定在单层POPG膜的头基和甘油酯区域，从而导致细菌膜的流动性增强，有序度变差，有利于ε-聚赖氨酸分子深入到疏水的酰基链区域。