益生菌和病原體的鑒別對(duì)人體健康有著非常重要的意義，具有高度特異性（包括菌株特異性）的微生物靶向療法因而也獲得了很大的關(guān)注。

  蘇州大學(xué)陳高健教授、陳紅教授以及英國(guó)華威大學(xué) David M. Haddleton 教授等同合作者們利用大腸桿菌 MG1655 菌株作為活性模板，原位合成了一種具有高度選擇性的含糖聚合物。通過(guò)這種細(xì)菌-糖單體-適配聚合 (BS-MAP) 的方法，研究人員們?cè)诩?xì)菌表面上得到了可以識(shí)別兩種不同大腸桿菌菌株的含糖聚合物，并通過(guò)細(xì)菌聚集實(shí)驗(yàn)和 QCM-D 測(cè)量證實(shí)了這種含糖聚合物的特異性細(xì)菌結(jié)合能力。此外，這種含糖聚合物還表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑菌能力，還可以防止細(xì)菌在共培養(yǎng)試驗(yàn)中傷害正常細(xì)胞。

  相關(guān)工作以前沿論文 (Edge article) 發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)旗艦期刊 Chemical Science 上并入選 2019 Chemical Science HOT Article Collection。

研究背景

益生菌可保護(hù)宿主免受外界環(huán)境的侵害，而致病菌可能會(huì)引起傳染病�？股赝ㄟ^(guò)殺滅病原體來(lái)治療細(xì)菌感染，但它們也可能殺滅非病原體，從而改變微生物群的組成并增加對(duì)繼發(fā)感染的易感性。另外，細(xì)菌菌株與細(xì)菌種類一樣重要，因?yàn)槲⑿〉耐蛔兛赡軐⒁嫔D(zhuǎn)化為相同種類的致病菌，一些非致命微生物甚至可能因此變得致命。因此，開(kāi)發(fā)微生物靶向性的抗菌療法就變得至關(guān)重要；這種藥劑應(yīng)具有高度的特異性，包括對(duì)菌株的特異性。

菌株 (strain) 也稱品系，是指同種細(xì)菌中不同來(lái)源的純培養(yǎng)物。具有典型特征的菌株稱為典型株或代表株或標(biāo)準(zhǔn)株。不同菌株可能性狀完全相同，也可能有某種微小差異。

在不同的選擇性試劑中，糖類在涉及信號(hào)識(shí)別和信號(hào)傳導(dǎo)的生物過(guò)程中起著重要的作用。一些糖對(duì)蛋白質(zhì)具有高親和力，使其在特異性方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，因此人工合成的含糖聚合物能表現(xiàn)出很強(qiáng)的選擇性。然而，如何獲得在菌株水平上識(shí)別特定細(xì)菌的含糖聚合物仍需探索，而這樣的工作還尚未有報(bào)道。

本篇論文

本文作者選擇了合適的糖單體和聚合方法，以細(xì)菌為「活」模板，通過(guò)糖序列的優(yōu)化排列，原位合成了能實(shí)現(xiàn)菌株特異性親和的含糖聚合物。這種方法被稱為細(xì)菌-糖單體-適配聚合法 (bacteria-sugar monomer-aptation-polymerization, BS-MAP)。

鑒于大腸桿菌的基因型多樣性和操作便捷性，本文作者選擇大腸桿菌為模型細(xì)菌。所用的兩種單體是 MAG 和 MEDSA。

• MAG 是具有細(xì)菌結(jié)合能力的含糖單體；

• MEDSA 是不含糖的非結(jié)合單體，可以作為聚合物鏈中的間隔分子。

得益于大腸桿菌的還原性，這些單體以再生電子轉(zhuǎn)移催化 (activator regenerated electron transfer, ARGET) 機(jī)制進(jìn)行原子轉(zhuǎn)移自由基聚合 (atom transfer radical polymerization, ATRP)，得到兩種聚合物：

• 直接從溶液中獲得的聚合物（SP，可理解為 solution polymer)；

• 向體系中加入甘露糖 (mannose) 后從細(xì)菌表面上洗脫獲得的聚合物（BP，可理解為 bacteria polymer）。

本文作者還在沒(méi)有模版細(xì)菌存在的情況下進(jìn)行自由基聚合，制備出了非模板化的聚合物 (non-templated polymer, NP)，以便與 SP 和 BP 進(jìn)行對(duì)比。SP 和 NP 中的糖含量都約為 30%，BP 中的糖含量則高達(dá)約 50%。此外，本文作者還根據(jù) BP 中的 MAG 和 MEDSA 含量，制備得到了和 BP 具有相同單體組成比例的聚合物 RP（可理解為「隨機(jī)聚合」Random Polymerization）。

細(xì)菌聚集試驗(yàn)和 QCM-D 測(cè)試證明了 BP 聚合物對(duì)細(xì)菌菌株的特異性，并且產(chǎn)生特異性的主要因素不是含糖聚合物中的糖含量以及 MAG 和 MEDSA 的比例，而是鏈的序列。通過(guò) BS-MAP 可以方便地獲得具有優(yōu)化的糖含量和鏈序列的含糖聚合物。共培養(yǎng)試驗(yàn)表明 BP 聚合物是細(xì)菌粘附的潛在抑制劑，也是內(nèi)皮細(xì)胞在金底物上附著和增殖的促進(jìn)劑。

該方法為人工合成的含糖聚合物的制備提供了一種方便和通用的策略，所報(bào)道的含糖聚合物對(duì)用作合成模板的細(xì)菌具有高度的特異性。該技術(shù)有望成為許多應(yīng)用的基礎(chǔ)，例如細(xì)胞和微生物的標(biāo)記和捕獲等。本文入選 2019 Chemical Science HOT Article Collection。蘇州大學(xué)博士研究生羅妍為本論文的第一作者，David M. Haddleton 教授、陳高健教授、陳紅教授為本論文的共同通訊作者。

圖文解讀

本文作者首先使用細(xì)菌聚集實(shí)驗(yàn)來(lái)研究 BP 是否可以按預(yù)期與模板細(xì)菌進(jìn)行特異性的結(jié)合。除上述三種共聚物外，還合成 MAG 和 MEDSA 的均聚物 pMAG 和 pMEDSA 作為對(duì)照。為了測(cè)試聚合物的特異性，選擇了大腸桿菌菌株 DH5α (E. coli DH5α) 作為非模板細(xì)菌，其衍生自模板菌株大腸桿菌菌株 MG1655 (E. coli MG1655)，只是基因組略有改變（屬于不同的菌株）。

上述結(jié)果表明，從模板菌株 E. coli MG1655 表面獲得的 BP 聚合物具有菌株特異性的親和力。對(duì)于涉及到復(fù)雜體系的「真實(shí)世界」，希望 BP 可以在兩種或更多種細(xì)菌組成的菌群中特異性地識(shí)別靶標(biāo)。因此，本文作者接下來(lái)測(cè)試的是 BP 在由模版菌和非模版菌組成的混合物中識(shí)別模版菌的能力。

  上述結(jié)果表明上述含糖聚合物的鏈序列不同，這也解釋了它們的特異性與結(jié)合能力差異。受限于現(xiàn)有的分析方法，BP精確的單體序列目前還無(wú)法確定。

接下來(lái)，本文作者還通過(guò)耗散型石英晶體微天平 (Quartz Crystal Microbalance with Dissipation, QCM-D) 測(cè)量和金納米顆粒 (gold nano-particles, GNPs) 對(duì)含糖聚合物進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)菌結(jié)合能力評(píng)價(jià)。其中，QCM-D 是基于石英的壓電特性制備的一種表面敏感型分析技術(shù)，能感應(yīng)到納克級(jí)的質(zhì)量變化，可以用于微生物吸附行為的研究。

在上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成功地展示出 BP 特異性結(jié)合模版菌的特性后，本文作者接下來(lái)對(duì) BP 作為抗感染劑的可能性進(jìn)行了初步研究。作者推測(cè) BP 會(huì)占據(jù)特定細(xì)菌的結(jié)合位點(diǎn)，從而阻止或削弱細(xì)菌與細(xì)胞的相互作用。本文所進(jìn)行的試驗(yàn)以內(nèi)皮細(xì)胞 (endothelial cells, ECs) 為模型：紡錘形細(xì)胞形態(tài)表明細(xì)胞功能較為健康，圓形細(xì)胞形態(tài)表明細(xì)胞活性較低。

  本文作者最后指出，雖然 BP 未必能完全阻止細(xì)菌的定植或完全消除細(xì)菌對(duì)正常細(xì)胞的負(fù)面影響，但通過(guò)引入殺菌基團(tuán)（如 Ag? 或季銨基團(tuán)）等方法有望大大提高其抗菌性能。

  論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1039/C8SC05561K