IF=13.3!西北农林科技大学王建龙教授/张文涛副教授团队Nano Today重要成果

学术   2024-10-01 07:59   中国香港  

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工程化天然多酚的植物化学光敏剂实现系统间交叉的高效调控用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的杀灭

导  读

2024年8月,西北农林科技大学食品科学与工程学院王建龙教授/张文涛副教授课题组在食源性致病菌的高效防控方面取得重要进展,在国际顶级Top期刊《Nano Today》(Q1,IF:13.3)发表题为“Molecular-level regulating intersystem crossing of polyphenols: Engineering high-efficiency phytochemical photosensitizer for MRSA elimination”的研究性论文,西北农林科技大学张文涛副教授、王建龙教授为通讯作者,西北农林科技大学在读博士研究生杜婷为第一作者。

作为最有价值的可持续资源,食品中的天然功能分子有望被设计成为先进材料的基本组成构件,为食品安全问题的有效解决提供有效工具。其中,食源性多酚介导的绿色光杀菌技术前景广阔,但由于固有光学能级不足导致其性能不理想,在实际应用中存在巨大挑战。本文提出天然多酚槲皮素(QC)的分子水平工程策略,通过亲核取代反应,引入另一种植物化学物质芳香醛(MB)增长共轭结构,进一步调控其组装特性来实现可控的光学性能。结果表明,“组装诱导”机制实现了QC-MB增强的系间窜跃(Intersystem Crossing,ISC),创造富电子条件和更高效的自由基的生成,光动力性能提高2.2倍。将其用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)杀灭,证明了其对MRSA体外杀灭效果以及对生物膜的高效清除。机制研究分析表明,光学刺激与天然多酚的植物化学联合实现了双重抗菌机制:ROS攻击机制及对MRSA毒力因子的调控。此外,优良的生物相容性和体内抗感染能力也证明了工程化QC-MB在食源性致病菌控制方面的潜在应用。本研究为食品功能分子在食品工业中的开发利用提供了一种技术解决方案,引领了一种创新趋势。


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研究亮点

  • 提出天然多酚槲皮素的分子水平工程策略,通过亲核取代反应制备了一种植物化学光敏剂(QC-MB)。

  • “组装诱导”机制实现了QC-MB增强的系间窜跃,创造富电子条件和更高效的自由基的生成。

  • QC-MB光敏剂用于可见光激发的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的杀灭及生物膜清除。

  • 分子生物学研究以及转录组基因分析揭示了双重抗菌机制。


研究结论

  • 成功证明自组装诱导的超分子QC-MB的形成;

  • 验证了通过工程化QC-MB增强的系间窜跃ISC和活性氧生成能力;

  • 实现了对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的高效杀灭(99.95%)及生物膜清除性能;

  • 光学刺激与天然多酚的植物化学联合实现了双重抗菌机制:ROS攻击机制及对MRSA毒力因子的调控。


图文赏析

图形摘要

图1 QC-MB通过ROS细胞破坏和毒力调节双重机制对抗MRSA示意图。

图2 自组装QC-MB纳米框架的表征。(A) QC-MB的自组装过程。(B) QC-MB的TOF-MS质谱。(C)组装后QC-MB的SEM图像。(D) QC-MB的XPS光谱。(E) QC单体、MB和QC-MB的紫外可见光谱。(F)通过MD模拟得到的QC-MB分子自组装体系的优化结构。(G) IGM(独立梯度模型)研究QC-MB的分子间相互作用。

图3 QC-MB的光学活性表征。

图4 自组装QC-MB高效的活性氧生成以及抗菌性能。

图5 QC-MB体外杀灭MRSA的机制研究以及生物膜清除效果。

图6 QC-MB处理后MRSA转录组的变化。

张文涛

张文涛,博士,副教授,博士生导师,入选“博士后创新人才支持计划”、“陕西省高校科协青年人才托举计划”、“仲英青年学者”、全球2%顶尖科学家;担任Journal of Future Foods、Foods、Bio Integration、《保鲜与加工》等期刊编委/青年编委。近年来,主持国家自然科学基金(面上、青年)、陕西省重点研发计划、广东省自然科学基金青年提升项目等20余项科研项目,研究成果以第一/通讯作者在Nano Letters(自然指数期刊)、Advanced Functional Materials(自然指数期刊)、Advanced Science、Nano Today、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Redox Biology、Trends in Food Science& Technology、Food Hydrocolloids、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Food Chemistry等期刊发表SCI论文60余篇;以第一发明人授权专利8项;获得中国博士后创新人才支持计划十大创新成果1项(全国10项)、陕西省高等学校科学技术一等奖2项、中国分析测试协会科学技术奖一等奖1项、陕西省自然科学优秀学术论文奖4项等。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102456

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