Small:代谢标记用于细菌的靶向、探测与杀灭

纳米颗粒已被广泛应用于细菌的检测和杀灭,但如何特异性识别细菌仍具有很大的挑战性。当前靶向细菌的方法主要借助阳离子聚合物、抗体和糖类等。然而这些方法都存在一定的缺陷,例如阳离子聚合物表现出的细胞毒性、抗体的高成本、糖与细菌的低亲和性等等。因此,发展新型的细菌靶向方法是一个非常重要的课题。

D型氨基酸是细菌细胞壁的重要组成单元,而动物细胞的代谢只利用L型氨基酸。因此,使用D型氨基酸及其衍生物有可能有效地区分细菌和动物细胞,并选择性地对细菌进行代谢标记。目前已有大量工作利用染料标记的D型氨基酸来研究细菌细胞壁的合成等基础科学问题,并证明这一方法在复杂的生物环境中仍能表现出出色的细菌靶向性。这提示我们可以借助D型氨基酸的代谢标记把功能性的纳米颗粒连接到细菌表面。

新加坡南洋理工大学段宏伟教授与Mary Chan-Park教授课题组借助代谢标记的方法将MnFe2O4/Au(MFO/Au)Janus磁性纳米颗粒标记在革兰氏阳性菌的表面,并同时实现了细菌的探测与杀灭。Janus纳米颗粒因其不对称的结构与表面化学性质,提供了一个集成多种功能的平台。纳米颗粒的MFO组分可发挥多种作用,包括可以利用其过氧化物酶活性实现显色检测、利用它的磁性来分离和富集纳米颗粒标记的细菌、并通过其磁热效应杀死细菌。而Au组分表面修饰了四嗪(tetrazine,Tz)官能团,它可以识别D型氨基酸衍生物标记过的细菌。这种功能上的空间分隔避免了MFO过度复杂的表面改性而造成催化活性的降低。具体的标记方法分为两步:首先,含反式环辛烯(trans-cyclooctene,TCO)基团的D型赖氨酸(D-Lys-PEG4-TCO)通过细菌的代谢被标记到细菌的细胞壁中;然后,当引入Tz标记的Au/MFO 纳米颗粒后,纳米颗粒将通过Tz-TCO之间的点击化学反应以高特异性和高反应速率与细菌细胞壁上的TCO连接。MFO的过氧化物酶活性将用于纳米酶联生色反应来检测细菌数量。最后,细菌通过磁分离被富集并通过磁加热被杀死。这一代谢标记介导的靶向策略被应用在多种革兰氏阳性细菌上,并实现了活细菌数量三个数量级的降低。这种检测与杀灭细菌的方法将有望应用于治疗皮肤和尿路等部位的细菌感染。相关论文发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202006357)上。