Thermokinetic characterization of imipenem hydrolysis with metallo-β-lactamase CcrA from Bacteroides fragilis

本研究由翟乐、杨科武等人完成，旨在通过热动力学参数的研究，揭示临床上广泛使用的一种碳青霉烯类抗生素——亚胺培南在细菌抗药性中的作用。文章首次报道了源自脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）的B1亚类金属β-内酰胺酶CcrA对亚胺培南水解作用的热动力学特性。实验结果显示，CcrA对亚胺培南的水解是一个放热且自发的反应，反应级数为1.4，且CcrA水解亚胺培南的活化焓比头孢唑林水解反应的高，活化熵则较低。这项工作不仅丰富了抗生素耐药性的研究，也为金属β-内酰胺酶抑制剂的开发提供了重要的热动力学参数。 亚胺培南是一种广泛应用于临床的碳青霉烯类抗生素，由于其卓越的杀菌效果，已成为许多传染病治疗的首选方案。然而，这类抗生素的过度使用导致了大量抗生素耐药性细菌的产生。最普遍的耐药机制是金属β-内酰胺酶（Metallo-β-lactamases，MβLs）的表达，这些酶能够水解所有当前β-内酰胺类抗生素的β-内酰胺环，导致药物失活。MβLs具有很高的周转率（kcat）和广谱的特异性（high kcat/Km）。 本研究使用微热量计（microcalorimetry）作为研究手段，微热量计是一种能够测量极小能量变化的仪器，它通过测量反应热来计算反应的热力学参数，从而评估反应的自发性、活性参数和反应级数。研究中，温度范围设定在293.15K至308.15K，通过这些温度下亚胺培南与CcrA的水解反应热的测量，得到了一系列热动力学参数值，包括活化自由能、活化焓、活化熵和表观活化能。 活化自由能（Activation free energy）的计算结果表明，在上述温度范围内，CcrA水解亚胺培南的活化自由能分别达到87.540±0.027、88.781±0.031、89.901±0.036和91.057±0.021 kJ•mol-1。活化焓（Activation enthalpy）和活化熵（Activation entropy）的测定有助于深入理解水解过程中的能量和分子排列的变化。此外，实验得到的表观活化能E为21.598kJ•mol-1，进一步证明了水解反应的自发性。 本研究还指出，CcrA水解亚胺培南的反应是放热的，即反应中释放的能量大于用于克服活化能障的能量。这对于理解酶促反应的机理及其对温度变化的敏感性具有重要意义。热动力学参数的测定不仅提供了反应过程的能量变化信息，还能够预测反应的速率和方向，为抗生素耐药性的防控提供了理论基础。 这项首发论文的研究揭示了亚胺培南在被CcrA金属酶水解时的热动力学特征，为今后开发针对MβLs的新型抗生素耐药性抑制剂提供了科学依据，同时对临床合理使用碳青霉烯类抗生素具有重要的指导意义。