抗生素的臨床應(yīng)用可以說是20世紀最偉大的醫(yī)學突破。除了治療傳染病外，抗生素還使許多現(xiàn)代醫(yī)療程序成為可能，包括外科手術(shù)和器官移植等。然而，濫用這些有價值的化合物已導(dǎo)致耐藥性迅速上升，一些感染現(xiàn)在已無法有效治療。臨床上使用的大多數(shù)抗生素都來源于篩選土壤棲息細菌發(fā)現(xiàn)的天然產(chǎn)物。然而，到目前為止，傳統(tǒng)的篩選方式似乎被過度訓(xùn)練，因為它們往往會產(chǎn)生以前已知的化合物。因此，探尋新的渠道來尋找具有新的作用機制的新抗生素迫在眉睫。近期，多篇文獻報道了抗生素相關(guān)研究，為新型抗生素的臨床引用提供幫助。

1. 來自未培養(yǎng)細菌的抗生素與不可變的靶標結(jié)合

抗菌素耐藥性是世界范圍內(nèi)的主要死亡因素。德國波恩大學醫(yī)院藥物微生物學研究所Tanja Schneider團隊報告發(fā)現(xiàn)了clovibactin，一種從未培養(yǎng)的土壤細菌中分離出來的抗生素^[1]。Clovibactin有效地殺死耐藥的革蘭氏陽性細菌病原體，而不會產(chǎn)生可檢測到的耐藥性。利用生物化學分析、固態(tài)核磁共振和原子力顯微鏡，他們進一步剖析了clovibactin的作用模式。Clovibactin通過靶向多種必需肽聚糖前體(C₅₅PP、脂質(zhì)II和脂質(zhì)III_WTA)的焦磷酸來阻斷細胞壁合成。Clovibactin使用一種不尋常的疏水界面緊緊包裹焦磷酸，但繞過了前體的可變結(jié)構(gòu)元素，這是不會產(chǎn)生耐藥性的原因(圖1)。選擇性和有效的靶標結(jié)合是通過將前體螯合到超分子原纖維中來實現(xiàn)的，超分子原纖維僅在含有脂質(zhì)錨定焦磷酸基團的細菌膜上形成。因此，clovibactin具有良好的安全性，對人類細胞沒有毒性。這種強效抗生素有望設(shè)計出改進的治療方法，在不產(chǎn)生耐藥性的情況下殺死細菌病原體。

2. 抗生素結(jié)合位點的高分辨率景觀

抗生素結(jié)合位點位于必需酶的重要結(jié)構(gòu)域，并已在耐藥性突變的背景下進行了廣泛研究。然而，這類研究受到正向選擇的限制。美國紐約大學格羅斯曼醫(yī)學院生物化學和分子藥理學系Evgeny Nudler團隊使用多重基因組工程來克服這一限制，他們制備并表征了760個單殘基突變體，包括大腸桿菌RNA聚合酶(RNAP)的整個利福平結(jié)合位點^[2]。通過基因定位藥物-酶相互作用，他們確定了一個α螺旋的突變顯著改變利福平的結(jié)合效力。他們發(fā)現(xiàn)這個區(qū)域的突變延長了抗生素的結(jié)合時間，通過誘導(dǎo)致命的DNA斷裂將利福平從抑菌藥物轉(zhuǎn)化為殺菌藥物(圖2)。而利福平的殺菌作用是復(fù)制依賴的，通過在啟動子處引起有害的轉(zhuǎn)錄-復(fù)制沖突而致死。他們還發(fā)現(xiàn)了額外的結(jié)合位點突變，極大地提高了RNAP的酶活，快速消耗細胞的核苷酸，改變細胞對不同抗生素的敏感性，并提供冷生長優(yōu)勢。這項研究闡明了抗生素結(jié)合位點是必需酶的多功能結(jié)構(gòu)域，并啟發(fā)了對其他主要抗生素靶標的類似表征，以拓寬對抗菌機制、細菌生理學和進化的理解。

3. Teixobactin通過對細胞包膜的雙管齊下攻擊殺死細菌

Teixobactin是一種新型抗生素，具有獨特的化學支架，并且尚無可檢測到的耐藥性。Teixobactin靶向脂質(zhì)II，肽聚糖的前體。荷蘭烏得勒支大學理學院化學系Bijvoet生物分子研究中心Markus Weingarth團隊結(jié)合固態(tài)NMR、顯微鏡、體內(nèi)測定和分子動力學模擬，在原子水平上揭示了teixobactin的機制^[3]。Teixobactin獨特的enduracididine C末端頭基與脂質(zhì)II的焦磷酸糖部分特異性結(jié)合，而N末端與另一個脂質(zhì)II分子的焦磷酸結(jié)合。這種構(gòu)象有利于形成與靶標結(jié)合的teixobactin β片，形成超分子原纖維結(jié)構(gòu)(圖3)。與保守的焦磷酸糖部分的特異性結(jié)合解釋了對teixobactin尚無耐藥性的原因。超分子結(jié)構(gòu)損害了膜的完整性。原子力顯微鏡和分子動力學模擬表明，超分子結(jié)構(gòu)取代磷脂，使膜變薄。脂質(zhì)II的長疏水尾巴集中在超分子結(jié)構(gòu)內(nèi)，有助于膜破壞。Teixobactin只破壞含有脂質(zhì)II的膜，而脂質(zhì)II在真核生物中是不存在的，很好地解決了毒性問題。Teixobactin在抑制肽聚糖合成和破壞膜方面的雙重作用提供了對細菌細胞包膜的有效攻擊，對teixobactin機制的理解將有助于合理設(shè)計和改進候選藥物。

參考文獻

[1]Shukla R, Peoples AJ, Ludwig KC, et al. An antibiotic from an uncultured bacterium binds to an immutable target. Cell. 2023;186(19):4059-4073.e27. (IF=64.5)

[2]Yang KB, Cameranesi M, Gowder M, et al. High-resolution landscape of an antibiotic binding site. Nature. 2023;10.1038/s41586-023-06495-6. (IF=64.8)

[3]Shukla R, Lavore F, Maity S, et al. Teixobactin kills bacteria by a two-pronged attack on the cell envelope. Nature. 2022;608(7922):390-396. (IF=64.8)

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