本研究由Hongyan Yang（郑州工程技术学院化学工程与食品科学学院/河南工业大学食品科学与工程学院）、Fei Pan（中国农业科学院蜜蜂研究所资源昆虫重点实验室）、Lan Wang（郑州工程技术学院化学工程与食品科学学院）、Bingchao Duan（郑州工程技术学院）、Jinhong Gao（河南工业大学）、Wenli Tian（通讯作者，中国农业科学院蜜蜂研究所）及Kui Lu（通讯作者，郑州工程技术学院）共同完成，发表于《Chemical Engineering Journal》2025年第512卷。论文题为《Hydrophobic group modification for constructing self-assembling antimicrobial peptide derivatives with superior antimicrobial performance》，聚焦抗生素耐药性危机下新型抗菌肽（Antimicrobial Peptides, AMPs）的开发。
学术背景
细菌耐药性已成为全球公共卫生威胁，2019年直接导致127万人死亡。传统抗生素的失效促使研究者转向天然抗菌肽，但其存在活性弱、稳定性差等缺陷。本研究以昆虫源抗菌肽Cecropin A的N端1-8氨基酸片段（CE(1-8)）为母体，通过疏水基团（脂肪酸链/芳香基团）修饰构建自组装抗菌肽衍生物（AMPds），旨在阐明疏水修饰对肽结构及活性的影响规律，揭示其自组装机制与多模态抗菌机理，为肽基抗菌纳米材料设计提供理论依据。
研究流程
1. AMPds设计与合成
- 设计策略：基于CE(1-8)序列，分别引入不同碳链长度（C2-C18）的脂肪酸（记为CnCE）及苯基（BenCE）、萘基（NapCE）、芴甲氧羰基（FmocCE）三类芳香基团。
- 合成与表征：采用固相肽合成法（SPPS）制备，通过RP-HPLC纯化（纯度>95%），ESI-MS验证分子量，FT-IR确认功能基团（如酰胺键特征峰3295 cm⁻¹）。疏水性通过保留时间量化，显示随碳链增长或芳香环复杂度提升而增强。
2. 自组装行为解析
- 临界聚集浓度（CAC）测定：利用疏水荧光探针1,8-ANS检测，发现C10CE-C18CE可自组装（CAC值35.9-47.0 μM），驱动力为脂肪酸链间范德华力；C2CE-C8CE及芳香基修饰肽无显著自组装。
- 形貌表征：AFM/TEM显示C12CE、C14CE形成球形纳米结构（直径约100-200 nm），CD光谱证实其以无规卷曲为主（40%），在模拟膜环境（SDS/TFE）中α-螺旋含量增至19-45%。
3. 抗菌活性评估
- 最小抑菌浓度（MIC）：针对15种革兰氏阴性/阳性菌测试，C12CE、C14CE、FmocCE活性最佳（平均MIC较母肽降低8-12倍），GM值与碳链长度呈“U型”关系（C12-C14最优）。
- 杀菌动力学：C14CE（2×MIC）可在1-6小时内杀灭99%的E. coli和S. aureus，且对革兰氏阴性菌更快。
- 稳定性：耐高温（121℃）、宽pH（4-12）及盐离子（除Ca²⁺>2.5 mM），具备临床应用潜力。
4. 抗菌机制研究
- 膜破坏机制：CLSM/SEM/TEM证实C12CE/C14CE通过静电吸附于细菌膜，解离为单体后插入疏水尾链，导致膜穿孔（PI染色阳性）及内容物泄漏。MD模拟显示自组装体在磷脂双层（DOPC/DOPG=1:1）中先吸附后解离，脂质分子流动性增加（MSD上升）。
- 非膜机制：凝胶电泳及MD模拟表明AMPds可结合细菌基因组DNA；ROS检测显示其诱导活性氧爆发（剂量依赖性），形成多模态杀菌效应。
主要结果与逻辑链条
- 自组装驱动活性提升：C12CE-C14CE的自组装增加局部肽密度，增强与细菌膜的静电作用；解离后的单体通过疏水插入破坏膜完整性。
- 疏水-活性平衡：碳链过长（C18CE）因空间位阻降低膜渗透效率，而芳香基通过π-π堆积增强膜亲和力（如FmocCE活性优于C10CE）。
- 多机制协同：膜破坏、DNA结合及ROS生成共同作用，减少耐药性风险。
结论与价值
本研究系统揭示了疏水修饰对AMPds自组装及活性的调控规律：
1. 科学价值：首次阐明脂肪酸链长度与抗菌活性的“U型”关系，提出自组装体解离-膜插入的动态机制，为肽基纳米材料设计提供新范式。
2. 应用价值：C12CE、C14CE、FmocCE兼具广谱抗菌（MIC低至4 μM）、高选择性（SI=5.35-10.33）及稳定性，适用于食品防腐、医用涂层等领域。
研究亮点
- 创新方法：结合全原子MD模拟（GROMACS 21.4）与IGM分析，可视化自组装体与膜相互作用过程。
- 多模态机制：突破传统抗菌肽单一膜靶点局限，通过实验与模拟联合验证DNA结合及ROS途径。
- 精准设计：建立疏水基团性质（链长/芳香性）-自组装-活性的定量关系，助力理性设计。
其他价值
局限性指出未来需研究大时空尺度自组装行为及宿主氧化应激影响，为后续研究指明方向。