水莱茵海默氏菌 (Rheinheimera aquimaris) 淬灭细菌群体感应的机理研究

Quorum sensing (QS) is a key regulator of survival and pathogenicity in bacterial species. It has therefore attracted significant research attention in recent years, offering promising anti-pathogenic drug targets. Marine microorganisms can, with their special life histories, produce bioactive substances during growth and metabolism. These bioactive compounds have special chemical structures and physiological functions. Therefore, they constitute a raw material library for screening drug lead compounds. Many marine bacteria have been screened from marine mud of the sea floor in the Qingdao Sea Area by the research group using QS system as a target. The metabolites of these strains can inhibit QS-regulated behaviors to a remarkable extent. This proposal will use R. aquimaris, which shows conspicuous QS-quenching activity, as the primary research material and study its growth characteristics and metabolic rules. In parallel, using QS system in Chromobacterium violaceum as a model in combination with HPLC-DAD-MS chromatography technology, the active factors that can quench QS in the secreted bioactive substance of R. aquimaris will be analyzed, their molecular structures will be detected, and the structure-activity relationship will be confirmed. The mode of the active factors and receptor protein in QS system interactions (Quenching rate constant, Association constant, and Binding-site number) and the three-dimensional conformation of small molecule protein complexes will be studied using biophysical technology and protein engineering methods in order to elucidate the molecular mechanism of quenching QS by R. aquimaris. The understanding of the molecules and mechanisms that microbes use to interact with each other and their environments can lead to better antimicrobial drug design. In addition, the project will provide a theoretical basis for the synthesis of QS inhibitors, and lay the foundations for deep processing and recycling of marine bioresources.

群体感应 (Quorum sensing, QS) 机制对细菌的生存与致病性至关重要，已成为研制新型抗菌药物的重要靶标。海洋微生物在生长过程中产生多种具有特殊生理功能的活性物质，这是开发药物先导化合物的珍贵原料宝库。本课题组已利用细菌QS系统作靶标，从青岛海域筛选出多株能淬灭QS系统的细菌。本研究拟以具有强烈QS淬灭活性的水莱茵海默氏菌为材料，利用紫色杆菌QS系统模型及HPLC-DAD-MS色谱技术平台，分析并鉴定其中能淬灭QS系统的活性作用因子及分子结构，研究其构效关系；同时利用生物物理技术和蛋白质工程手段，分析淬灭因子与QS系统受体蛋白的各种结合常数（淬灭速率常数、结合常数和结合位点数）及小分子-蛋白复合物的空间构像，解析其作用机制，进而阐明水莱茵海默氏菌淬灭QS系统的分子机理。本项目将为设计合成QS抑制剂、研发新型抗菌药物提供理论依据，并为海洋生物资源的深度开发及利用奠定坚实基础。

随着全球抗生素药物的广泛应用，细菌耐药性甚至是多重耐药性已经成为世界范围内关注的重大难题。由于抗生素的机制是通过直接杀死致病菌或抑制细菌的生长来实现抗感染的目的，在这种生存压力下，很容易产生细菌耐药性。因此，需要通过寻找新的作用机制开发新型抗菌药物，从根本上解决细菌耐药性问题。近年来细菌群体感应（Quorum Sensing, QS）系统研究的发展，掀起了新型抗菌药物研究的热潮。研究表明，致病菌引起人体感染是通过自身产生的多种毒力因子作用的，而大多数毒力因子的产生都是依赖于细菌QS系统的调控。QS抑制剂与传统抗生素的作用机制不同，它只干扰致病菌毒力因子的生成，而不抑制细菌自身的正常生长，因此在理论上不会产生细菌耐药性。.本课题以实验室前期筛选获得的具有强烈QS 淬灭活性的水莱茵海默氏菌为材料，经NMR和MS分析鉴定其中能淬灭QS 系统的活性作用因子为环色氨酸-丝氨酸，为首次报道其具有QS抑制活性。通过紫色杆菌QS系统筛选表明，此化合物在一定的浓度范围内均能明显的降低QS系统调控的紫色素的生成，但不会抑制紫色杆菌的生长；进一步通过铜绿假单胞菌QS筛选体系实验表明，化合物能够显著地降低相关毒力因子的合成以及生物被膜的形成。同时利用分子模拟手段初步研究了群体感应抑制因子与QS系统受体蛋白的相互作用机制。结果表明，信号分子C6HSL和环色氨酸-丝氨酸在同一个活性口袋里，且结合能量略小于信号分子，说明该化合物更容易与受体蛋白结合。环色氨酸-丝氨酸与信号分子AHLs竞争性结合受体蛋白的同一活性位点，使蛋白构像发生改变，进而达到淬灭QS系统的目的，并且不会产生耐药性。作为一种新型的抗菌药物，QS抑制因子将会在多个领域具有广泛的应用前景。本研究工作将为寻找结构多样性的天然QS抑制剂提供方法和手段，为研究QS抑制剂的设计合成、结构改造及其构效关系提供理论和技术支持，也将为新型天然抗菌药物的研发提供科学依据。目前以第一作者或通讯作者发表SCI论文12篇，授权专利3项，培养研究生8名。