本文提供了一种制备抑菌性二酰胺类化合物马萨里霉素的详细方案,该小分子探针通过靶向细胞壁降解来抑制枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)的生长。文中展示了其作为化学探针在枯草芽孢杆菌(B. subtilis)和肺炎链球菌(S. pneumoniae)中的协同/拮抗作用实验及形态学研究中的应用。
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本文提供了一种制备抑菌性二酰胺类化合物马萨里霉素的详细方案,该小分子探针通过靶向细胞壁降解来抑制枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)的生长。文中展示了其作为化学探针在枯草芽孢杆菌(B. subtilis)和肺炎链球菌(S. pneumoniae)中的协同/拮抗作用实验及形态学研究中的应用。
细菌细胞壁中的肽聚糖(PG)是一种独特的高分子结构,赋予细胞特定形态并提供对外界环境的保护。要理解细胞生长与分裂,关键在于了解PG降解如何影响其生物合成及细胞壁组装过程。近年来,已有通过引入修饰的糖类或氨基酸对PG进行代谢标记的研究报道。尽管可利用小分子抑制剂对生物合成步骤进行化学干预,但用于研究自溶素介导的PG降解的化学生物学工具仍较为匮乏。细菌自溶素是一类广泛存在的酶,参与肽聚糖高度协调的降解过程。本文提供了一种小分子探针masarimycin的详细制备方案,该探针为N-乙酰葡糖胺酶LytG的抑制剂 枯草芽孢杆菌, 以及细胞壁代谢在 肺炎链球菌抑制剂的制备 通过 提供了微波辅助与经典有机合成方法。阐述了其作为研究革兰氏阳性菌在生物学测定中生理学特性的工具的适用性。
肽聚糖(PG)是一种网状聚合物,在革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌中均能界定细胞的形态与结构1,2该杂聚物是由短肽交联的氨基糖组成的基质。3,4,5,6 由交替连接的N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)和N-乙酰胞壁酸(MurNAc)通过β-(1,4)糖苷键组成的骨架结构(图1)1连接在MurNAc的C-3乳酸基团上的是肽桥。肽聚糖的代谢涉及一套高度协调的生物合成与降解酶系统,以将新组分整合到细胞壁中7,8PG的降解由一类统称为自溶素的酶来完成9 并根据所断裂的化学键特异性进一步分类。自溶素参与多种细胞过程,包括细胞生长、细胞分裂、运动性、肽聚糖成熟、趋化性、蛋白质分泌、遗传感受态、分化以及致病性10,11. 阐明单个自溶素特定生物学功能具有相当挑战性,部分原因在于其功能上的冗余性。然而,近年来的生物物理研究8,12,13 和计算研究12 为PG代谢中的作用提供了新的见解。此外,近期研究报告进一步揭示了其合成过程14 以及膜介导的15,16,17 PG代谢的步骤。深入理解PG代谢中降解途径与合成途径之间的关系,可能揭示此前尚未开发的抗生素作用靶点。
尽管真核生物糖生物学的研究方法已取得显著进展,但细菌糖生物学、特别是肽聚糖(PG)代谢的研究进展却相对缓慢。目前研究PG代谢的化学方法包括荧光标记抗生素18、荧光探针19,20以及代谢标记21,22,23,24。这些新方法为研究细菌细胞壁代谢提供了新的途径。尽管其中一些策略能够实现PG的活体(in vivo)标记,但它们可能具有物种特异性19,或仅适用于缺失特定自溶素的菌株25。许多PG标记策略旨在用于分离的细胞壁26或体外(in vitro)重建的PG生物合成通路20,27,28。目前,荧光标记抗生素的应用仅限于生物合成步骤和转肽作用18。
当前对细菌自溶素及其在细胞壁代谢中作用的认识主要来源于遗传学和 体外 生化分析11,29,30,31,32尽管这些方法为研究这一重要类别的酶提供了大量信息,但解析其生物学功能仍具挑战性。例如,由于功能冗余33,尽管自溶素在细胞生长和分裂中具有重要作用,但在大多数情况下,缺失自溶素并不会阻止细菌生长。7,12另一个复杂之处在于,细菌自溶素的基因敲除可能引发元表型34元表型源于基因缺失所影响的通路与其他相互关联通路之间复杂的相互作用。例如,元表型可能由此产生 通过 直接效应,例如某种酶的缺失,或间接效应,例如调控因子的破坏。
目前,可用于研究肽聚糖(PG)降解的糖苷酶自溶素(如N-乙酰葡糖胺酶(GlcNAcase)和N-乙酰胞壁酸酶)的抑制剂非常有限。为解决这一问题,已鉴定并表征了一种二酰胺类化合物——马萨里霉素(masarimycin,曾称为fgkc)35,其为一种抑菌性抑制剂,可抑制Bacillus subtilis的生长,作用靶点为GlcNAcase LytG32(图1)。LytG是一种外切型GlcNAcase36,属于糖基水解酶家族73(GH73)中的第2簇成员,在营养生长期是主要的活性GlcNAcase32。据我们所知,马萨里霉素是首个可抑制细胞生长的、作用于肽聚糖的GlcNAcase抑制剂。对马萨里霉素在Streptococcus pneumoniae中的进一步研究表明,该化合物可能也抑制该生物体的细胞壁代谢过程37。本文报道了马萨里霉素的制备方法,以便将其作为化学生物学探针,用于研究革兰氏阳性菌B. subtilis和S. pneumoniae的生理特性。文中展示了在亚最低抑菌浓度下使用马萨里霉素处理后的形态学分析示例,以及协同/拮抗作用检测方法。利用作用机制明确的抗生素进行协同与拮抗试验,是探索细胞内不同生理过程之间关联的有效手段38,39,40。
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1. 通用方法
注意:所有化合物均购自常规供应商,未经进一步纯化即直接使用。
2. 马萨里霉素制备的一般步骤
注意:以下步骤需在通风橱中进行。

× 100%3. 制备马萨里霉素的微波法
4. 协同与拮抗作用检测
5. 形态学研究
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马萨里霉素是一种小分子抑菌剂,可抑制 B. subtilis 和 S. pneumoniae 并已被证明可抑制外切型GlcNAcase LytG B. subtilis35,37 并靶向细胞壁 S. pneumoniae37马萨里霉素可通过经典有机合成或微波辅助有机合成方法高效制备,产率范围为55%–70%。其中,微波辅助合成具有显著缩短反应时间的优势。与传统合成方法需5–6小时相比,微波辅助合成可在2–3小时内完成,同时保持相当的产率。快速柱层析可实现马萨里霉素的高效纯化,获得高纯度产物。补充图1-2)。结构归属来自 1H 和 13C NMR 谱图及代表性谱图见于 补充图3-4.
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马萨里霉素是一种对B. subtilis35 和 S. pneumoniae37生长具有单微摩尔级抑菌活性的抑制剂。在B. subtilis中,已证实马萨里霉素可抑制GlcNAcase LytG35,而在S. pneumoniae细胞壁中的确切分子靶点尚未被确定37。采用经典有机合成或微波法合成马萨里霉素,均可获得较高产率和高纯度的产物。马萨里霉素产率偏低通常归因于环己基甲醛的氧化。为避免此问题,建议将环己基甲醛在惰性气氛下的干燥器中保存。醛基氧化为相应的羧酸时,可在瓶中观察到白色固体。购买小量环己基甲醛并避免长期储存,可显著减少该问题的发生。
由于存在混合物,马萨里霉素结构的核磁共振归属较为复杂 顺式 和 转 酰胺键的不同形式以及其周围的阻转异构体 o-碘苯基 环结构导致多个...
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Reid, C. W. 拥有与马萨里霉素特定应用相关的知识产权。
本研究由美国国家科学基金会资助,项目编号为2009522。对马萨里霉素的核磁共振(NMR)分析由美国国家科学基金会重大研究仪器项目资助,项目编号为1919644。本文材料中表达的任何观点、发现、结论或建议均为作者个人观点,不一定反映美国国家科学基金会的观点。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-碘苯甲酸 | SIGMA-ALDRICH | I7675-25G | 腐蚀性,刺激性,浅黄色至橙棕色粉末 |
| 2-丙醇 | SIGMA-ALDRICH | 109827-4L | 易燃,刺激性,无色液体 |
| 乙腈 | SIGMA-ALDRICH | 34851-4L | 易燃,刺激性,无色液体 |
| 铝背板硅胶板 | Sorbtech | 4434126 | 铝背板上的XG F254硅胶 |
| 氘代氯仿 | SIGMA-ALDRICH | 151823-50G | 核磁共振溶剂 |
| 紧凑型质谱仪 | Advion-Interchim | Advion CMS | 配备APCI离子源和常压固体分析探针的紧凑型质谱仪 |
| Corning Costar 96孔平底培养板-无菌 | fisher chemical | 07-200-90 | 用于协同/拮抗作用检测 |
| 盖玻片 | fisher chemical | 12-547 | 用于显微镜观察 |
| 环己烷甲醛 | CHEM-IMPEX INT'L INC. | 24451 | 易燃,刺激性,无色至粉红色液体 |
| 环己基异氰化物 | SIGMA-ALDRICH | 133302-5G | 刺激性,无色液体,具有极难闻的气味 |
| 环己胺 | SIGMA-ALDRICH | 240648-100ML | 腐蚀性,易燃,刺激性,无色液体(除非被污染) |
| 乙酸乙酯 | SIGMA-ALDRICH | 537446-4L | 易燃,刺激性,无色液体 |
| 闪式硅胶柱(12g) | Advion-Interchim | PF-50SIHP-F0012 | 用于masarimycin纯化的闪式硅胶柱(12g)套装 |
| 甲醛 | SIGMA-ALDRICH | F8775-25ML | 显微镜固定剂 |
| HEPES | SIGMA-ALDRICH | H8651-25G | 显微镜固定液用缓冲剂 |
| 己烷,异构体混合物 | SIGMA-ALDRICH | 178918-4L | 对环境有害,易燃,刺激性,危害健康,无色液体 |
| 高性能紧凑型质谱仪 | Advion | expression | 常压固体分析探针(ASAP),低分辨率 |
| High Vac | eppendorf | Vacufuge plus | 利用离心力和温度辅助的真空系统 |
| 盐酸 | SIGMA-ALDRICH | 258148-2.5L | 腐蚀性,刺激性,无色液体 |
| 盐酸 | SIGMA-ALDRICH | 320331-2.5L | 强酸 |
| 浸油 | fisher chemical | 12-365-19 | 用于显微镜观察 |
| 碘,重升华晶体 | Alfa Aesar | 41955 | 对环境有害,刺激性,危害健康,深灰色/紫色晶体 |
| Mestre Mnova | MestreLab Research | 核磁共振谱图处理软件 | |
| 甲醇 | SIGMA-ALDRICH | 439193-4L | 易燃,有毒,危害健康,无色液体 |
| 亚甲蓝 | SIGMA-ALDRICH | M9140-25G | 用于细胞壁染色的显微镜染料 |
| 含5%绵羊血的Mueller-Hinton琼脂平板 | fisher chemical | B21176X | 肺炎链球菌的培养基 |
| Mueller-Hinton肉汤 | fisher chemical | DF0757-17-6 | 肺炎链球菌的培养基 |
| 显微镜载玻片 | fisher chemical | 22-310397 | 用于显微镜观察 |
| 微波合成实验室工作站 | MILESTONE | START SYNTH | 需在通风橱中使用的设备,配备合成转盘 |
| 核磁管 | SIGMA-ALDRICH | Z562769-5EA | 5 mm 核磁管,600 MHz |
| 核磁共振(NMR) | Bruker | Ascend 400 | 大型超导磁体(400 MHz) |
| 奥普托欣 | fisher chemical | AAB21627MC | 盐酸乙基氢可酮 |
| 培养皿 | Celltreat | 229695 | 用于制备细菌培养用琼脂平板 |
| Primo Star明场/相差显微镜,配备ERc5s相机 | Zeiss | 用于形态学研究 | |
| puriFlash | interchim | XS520plus | 快速色谱纯化系统 |
| 刃天青 | SIGMA-ALDRICH | R7017-1G | 用于协同/拮抗作用检测 |
| 旋转蒸发仪 | Heidolph | Hei-VAP Value "The Collegiate" | 溶剂蒸发装置 |
| 碳酸氢钠 | SIGMA-ALDRICH | S6014-500G | 刺激性,白色粉末 |
| 氯化钠 | fisher chemical | S271-1 | 晶体状,无色 |
| 氯化钠 | SIGMA-ALDRICH | S5886-500G | 用于枯草芽孢杆菌的培养和LB培养基的制备 |
| 硫酸钠 | SIGMA-ALDRICH | 7985592-500G | 无水,颗粒状,白色 |
| 胰蛋白胨 | fisher chemical | BP1421-500 | 用于枯草芽孢杆菌的培养和LB培养基的制备 |
| Whitney DG250工作站 | Microbiology International | DG250 | 厌氧工作站。使用的厌氧气体混合物:5% 氢气,10% 二氧化碳,其余为氮气 |
| 酵母提取物 | fisher chemical | BP1422-500 | 用于枯草芽孢杆菌的培养和LB培养基的制备 |
| Zen Lite(蓝色)软件 | Zeiss | 用于获取显微图像 |
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