壳聚糖抗菌的分子机制及其功能化研究

Chitosan is produced by deacetylation of chitin, which is the structural element in the exoskeleton of crustaceans (such as crab and shrimp). Because of antimicrobial activity, good biocompatibility and biodegradability, chitosan has been widely used in biomedicine, argriculture, food industry and other fields. However, the low antimicrobial activity has limited its academic research and potential applications in industry. Because the antimicrobial activity dependencd is complicated, and limited by the experimental techniques, the antimicrobial mechanism of chitosan is still poorly understood. In this proposal, molecular dynamics simulation will be utilized to study the interactions between chitosan molecules and bacteria components at the atomic level. The purpose of this study is to find the targeting point on bacteria cells and to clarify the effectiveness of different kinds of chemical functional modifications on the antimicrobial activity. In detail, we plan to do the following works: 1) studying the thermodynamics and kinetics of the interactions between chitosan and its derivatives with microbial cell membranes, and the influence of chitosan on membrane stability; 2) studying the binding process between positively charged chitosan molecules and negatively charged DNA duplex, the changing of DNA structure; 3)developing coarse-grained models of chitosan and its derivatives for large-scale simulations, which are compatible for experimental verifications. This advanced research will provide new clues and predictions for chitosan chemistry, especially the improvement of chitosan antimicrobial activity and biocompatibility. Through our effects, we will improve ours and even China's impact on chitosan application research.

壳聚糖是由水产加工的废弃物- - 虾蟹壳中提取的甲壳素脱乙酰化的产物。由于具有良好的抗菌活性、生物相容性和可降解性，壳聚糖在医药、食品、农业、工业等领域有着广泛的应用。在壳聚糖的研究中，如何提高抗菌活性是学术界和工业界普遍关注的问题。但是，由于抗菌效果受诸多因素影响，其抗菌机制并不完全清楚。本课题利用分子动力学模拟等手段，研究壳聚糖与细菌相互作用机制，明确作用靶位、过程及功能化修饰对抗菌效果的影响。我们将重点解决：1）壳聚糖及其衍生物与细胞膜相互作用的动力学和热力学过程，以及对细胞膜结构稳定性的影响；2）正电壳聚糖与负电DNA吸附的动力学过程，以及DNA结构的变化；3）发展壳聚糖衍生物的粗粒化模型，研究复杂的壳聚糖+细胞膜相互作用体系，达到实验技术能够检验的尺度。本研究的成果将对壳聚糖化学，尤其是壳聚糖抗菌活性和生物相容性研究，提供必要的理论预测与科学论证。同时为应用型研究提供新的思路和方

本课题采用基于经典力场的分子动力学模拟，系统研究壳聚糖与生物分子体系的相互作用，旨在探索该材料的抗菌分子机制。我们选择了三种典型的生物分子，即DNA双螺旋、细胞膜和蛋白质分子；模拟并分析了其与壳聚糖相互作用的热力学和动力学过程、吸附强度、吸引力来源、脱乙酰度和化学功能化修饰等因素对吸附过程的影响。我们发现，壳聚糖对DNA分子具有很强的吸附力，形成稳定的复合结构，库伦吸附是主要的相互作用力，并伴随一定的疏水作用。值得一提的是，我们发现壳聚糖吸附能够导致DNA的解旋从而产生破坏，这种破坏作用具有明显序列特异性，即富含腺嘌呤和胸腺嘧啶的DNA片段的沃森-克里克氢键更容易被破坏。这是世界上对壳聚糖破坏DNA双螺旋结构具有序列特异性的首次报道。由于壳聚糖分子对脂多糖分子（革兰氏阴性菌细胞膜的重要成分）具有很强的吸附力，能够将其从细胞膜抽取出来，从而造成细胞膜的结构破坏。但是，在对比模拟中，壳聚糖对于表皮细胞膜模型没有影响，因而对正常细胞无损害。另外，壳聚糖对蛋白质的吸附与脱乙酰化度成正依赖关系，但是不会导致其结构发生明显改变。基于以上结果，我们提出壳聚糖对细菌细胞膜的直接破坏而引起的机械损伤，和进入细菌后对DNA的强烈吸附和引发的结构破坏是其抗菌活性的主要原因。本课题研究的结果，揭示了壳聚糖抗菌活性的分子机制和重要作用靶点，对壳聚糖化学，尤其是壳聚糖相关抗菌材料和纳米医药研究，提供了重要的理论预测与科学论证，同时为应用型研究提供新的思路和方向。