[发明专利]含有Zn-N-C活性中心的纳米材料在去除细菌生物膜中的应用

说明书

本发明涉及含有Zn‑N‑C活性中心的纳米材料在去除细菌生物膜中的应用，属于生物技术领域。本发明基于菌群通讯是细菌生物膜形成的核心关键步骤这一原理，仿生天然蛋白酶的活性中心，设计合成Zn‑N‑C活性位点的纳米类酶。该含有Zn‑N‑C活性中心的纳米材料可以模拟天然内酯酶的活性，特异性的催化降解AHL类信号分子，阻断菌群通讯，抑制细菌生物膜的形成。本发明使用的含有Zn‑N‑C活性中心的纳米材料可用于环境中的生物膜防治，将纳米涂层涂敷在如船舶、医疗器械等固体表面，可长时间防止生物膜的形成，减轻生物膜带来的危害。

技术领域

本发明属于生物技术领域，尤其涉及含有Zn-N-C活性中心的纳米材料在去除细菌生物膜中的应用。

背景技术

细菌生物膜是由一种或多种微生物自发形成的复杂被膜结构，由细胞外多糖、蛋白质、DNA等生物分子及多种微生物群落构成，形成肉眼可见的粘膜状物质。生物膜的形成有四个阶段：①游离细菌的定植阶段，少量微生物附着在生物或非生物表面；②菌群的不可逆粘附阶段，细菌在物体表面开始大量增殖，合成及分泌多糖、蛋白质和DNA等，形成一定的空间结构；③生物膜的成熟阶段，此时足够数量的细菌间开始建立群体感应(Quorumsensing,QS)通讯，通过外泌信号分子(Autoinducers,AIs)，调控生物膜形成具有结构异质性的稳定空间结构，大量产生细胞外基质成分，共同进化抵御外界环境刺激；④生物膜的扩散阶段，随着生物膜的成熟，游离的细菌被分离释放出来，在新的表面上附着，形成完整的生物膜循环。在此过程中，菌群通讯调控的生物膜成熟过程是影响生物膜形成的关键阶段。

已有研究表明，形成生物膜结构的微生物其环境适应性强，耐受性好，抗剪切力强，对抗生素的耐受可提高至10倍-1000倍，已成为困扰食品工业、海运业及公共健康等领域的持久性顽疾。例如，全球每年因海运船体上的生物污染所产生的额外经济消耗超过287亿英镑，其中超过100亿英镑用于生物附着船体产生的额外能源消耗。此外，据美国国立卫生研究院(NIH)统计，80％因细菌感染引发的疾病均与生物膜结构的形成有关，例如心内膜炎、囊性纤维化、牙周炎、鼻窦炎、骨髓炎、脑膜炎、肾脏感染、移植物引发的感染等。美国疾病控制中心(CDC)在2020年的数据显示，每年因水源及运输管线中细菌生物膜的形成而造成的疾病案例超过700万例，其中6000例因感染而死亡，造成直接的经济开销超过30亿美元。如何防治细菌生物膜的形成，是公共健康、生命科学等领域的科学难题。目前防治生物膜的策略可分为物理法、化学法和生物法三大类。

物理法：利用机械剪切、超声、紫外及磁场等物理方式，去除物体表面生物膜。例如，在距离链球菌生物膜表面2mm的位置，利用超声产生的气穴，可以在2s内完全分解生物膜结构；Li等人在旋转磁场中引入磁性纳米颗粒，通过纳米粒在磁场中旋转产生的机械应力破坏金黄色葡萄球菌产生的生物膜结构，可使菌群数量下降5个数量级。然而，物理方法虽然在短时间内去除效率高，但难以对微生物彻底清除，少量残留的微生物仍然有再次形成生物膜的潜力。

化学法：利用抗菌剂(抗生素、抗菌肽、金属离子等)直接杀伤微生物，以实现生物膜结构的去除。近年来，从人体宿主防御系统、牛中性粒细胞、昆虫及天然代谢产物中发现了多种天然的抗菌多肽如LL-37，Cecropins等。这些多肽也被广泛报道同样具有抗生物膜形成的特性。此外，以金属银、钯、铜等进行表面修饰，通过金属离子的缓慢释放，也有良好的抗生物膜效果。Vaidya等人发现，通过铂、钯和金三种金属离子联用可以显著抑制粪肠球菌，克雷伯肺炎链球菌和鲍氏不动杆菌生物膜的形成。然而，抗菌剂的大量实施会加速耐药性的广泛传播。