苯并咪唑衍生物通过分子自组装介导大肠杆菌絮凝活性的机制研究及其生物技术应用

本研究揭示了苯并咪唑衍生物通过独特的分子自组装机制诱导大肠杆菌(E. coli)絮凝现象，突破了传统电荷中和或胞外聚合物(EPS)介导的絮凝途径。研究人员通过结构-活性关系(SAR)分析发现含氰基的衍生物(化合物8)最具活性，结合高分辨显微镜(SEM/AFM)和纳米红外光谱(nano-FTIR)证实絮凝体由自组装纤维网络构成。该发现为细菌固定化技术提供了新型分子工具，在废水处理、生物催化等领域具有重要应用价值。

　　

在工业生物加工和废水处理领域，细菌絮凝技术因其在细胞固定化和连续化生产中的优势备受关注。然而，作为工业常用菌株的大肠杆菌(Escherichia coli)缺乏天然絮凝能力，现有诱导方法如基因改造存在监管障碍，而聚阳离子絮凝剂易受环境条件影响。更关键的是，传统絮凝机制主要依赖电荷中和或胞外聚合物(EPS)介导的桥接作用，这些方法在效率和可控性方面存在明显局限。比利时蒙斯大学(University of Mons-UMONS)的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究中，意外发现一类结构简单的双苯并咪唑衍生物能在数分钟内诱导E. coli高效絮凝，其机制完全不同于已知途径。

研究人员采用多学科技术手段展开研究：通过结构-活性关系(SAR)筛选最优絮凝剂；运用扫描电镜(SEM)和液体原子力显微镜(fluid AFM)观察絮凝体超微结构；采用纳米红外光谱(nano-FTIR)分析絮凝体化学成分；结合膜松弛实验和分子动力学(MD)模拟阐明化合物-膜相互作用机制；使用基因缺失菌株验证EPS非依赖性途径。研究样本包括E. coli K-12 MG1655标准株及BW25113系列突变株。

【Derivatives synthesis and assessment of flocculation efficiency】

通过系统筛选12种苯并咪唑衍生物，发现含丙烷连接臂和对位醚键的化合物1(flocculation效率85%)及氰基修饰的化合物8(效率92%)最具活性。关键结构特征包括：连接臂碳数奇数优于偶数(化合物3>C2)，刚性结构降低活性(化合物4下降40%)，氰基取代显著增强效果(化合物8>7>6)。

【High-resolution microscopy for Floc visualisation】

SEM显示30分钟内形成80 nm囊泡状突起和纤维网络，AFM定量显示絮凝体刚度达830±110 kPa，较对照组(228 kPa)提升3.6倍。PeakForce QNM模式揭示纤维网络具有显著机械稳定性。

【Composition of the Flocs】

突破性发现絮凝体不含典型EPS组分：DNase I处理无影响(排除eDNA作用)，蛋白酶K和糖苷酶处理不破坏絮凝体，nano-FTIR谱图(1738 cm^-1等峰)直接匹配化合物8特征峰，证实纤维网络由衍生物自组装构成。

【Mechanistic insights into flocculation】

分子机制研究显示：(1)化合物8在模拟膜环境中呈"V型"构象稳定存在(MD模拟)；(2)膜松弛度提升2倍但无穿孔(ANS/DiSC₃(5)检测)；(3)O-抗原恢复株(MG1655 AgO+)絮凝效率骤降，证实膜表面相互作用的关键作用。

这项研究首次阐明了一种全新的细菌絮凝机制：苯并咪唑衍生物通过疏水相互作用锚定于细菌膜，作为成核位点引导分子自组装形成跨细胞纤维网络，实现物理桥接而非传统生化途径。该发现具有三重意义：(1)为细菌固定化提供了不依赖EPS或电荷调控的分子工具；(2)拓展了苯并咪唑类化合物的生物应用场景；(3)揭示的"锚定-自组装"协同机制为设计新型抗菌材料提供思路。特别值得注意的是，化合物8在59μM低浓度下即可实现快速(10分钟)絮凝，且对革兰阳性菌(如乳酸杆菌)同样有效，展现出良好的技术转化潜力。研究建立的"结构设计-超微表征-机制解析"多尺度研究范式，也为其他生物界面相互作用研究提供了方法论参考。