Nature子刊：高通量策略快速破译天然抗生素“密码”，或可对付“超级细菌”

原以为抗生素的研制能够抵制细菌感染的威胁，为病患带来更多生机。不幸地是，细菌对环境的适应能力超乎想象，多耐药性细菌的出现又为全球公众健康带来新一轮“恐慌”。于是，科学家又踏上了新一轮的“征服”之路。

近日，由日本东京大学药学研究科的研究人员们开发了一项高通量策略来快速开发lysocin E强效类似物，为制造多耐药性细菌抗生素的快速出炉提供助力。其相关研究已发表在《Nature communication》杂志上。

DOI：org / 10. 1038 / s41467-019-10754-4

Hiroaki Itoh教授在实验室 图片来源：东京大学

2011年，来自日本东京大学药学研究科的助理教授Hiroshi Hamamoto及其团队开始了寻找多耐药性细菌抗生素的征途。2014年，他们收获了好消息。

他们在日本西南部冲绳岛的亚热带岛屿上所采集的土壤样品中发现了一种天然抗生素——lysocin E。它是一种由溶杆菌属细菌产生的天然抗生素，能与细菌膜中的甲萘醌（MK）相互作用，杀灭常见抗生素无法对付的超级细菌MRSA（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）。其相关内容已发表在《Nature chemical biology》杂志上。

DOI：10.1038 / nchembio.1710（参考文献2）

尽管这一天然抗生素表现出强大的抗菌活性，但在人体试验中并不能成为最佳的治疗药剂。因此，Hiroshi Hamamoto教授及其团队又开始了思考如何研究其化学结构与活性的关系（SAR），来开发最有效的人工合成化合物。

带着这一思考，研究人员们发现，Lysocin E是一种结构复杂的37元肽，由12个氨基酸残基组成，具有N-甲基化酰胺和酯键，看起来有点像个“美丽的手环”。

图片来源：东京大学井上研究小组

也正是因为其结构复杂到难以进行大量分离或化学修饰，所以分步合成其多种类似物是非常耗时且不切实际的。并且，研究人员还发现并不是每一条侧链都与有效杀菌活性相关。因此，如何破译这一复杂化学结构中与有效杀菌活性相关的生物线索成为了新难题。

在多次探索之后，研究人员们发现一种“全合成”的方法能够破译这种独特抗生素中的生物线索。2015年，研究人员们实现了第一个相对完整的固相全合成，随后利用全合成策略的优势，又制备出了15个具有不同侧链结构的类似物。对这些类似物的剖析，让研究人员们进一步发现了有效抗生物活性的关键侧链结构特征。

有效的抗微生物活性关键侧链结构：橙色（疏水酰基链），品红色（芳香环）和青色（碱性基团） 

之后，研究人员们又从其中挑选出四个侧链进行初步尝试。同时，也选出七种不同的氨基酸来测试lysocin E的抗菌活性增强效果。令人惊讶的是，对这四种侧链和七种氨基酸的所有可能性进行组合共建出2,401种不同合成形式的lysocin E修饰。如何构建和筛选这2401种合成物又让研究人员们犯难了，研究再次陷入僵局。

单珠一化合物（OBOC）文库的结构  图片来源：参考资料 [1]

在经历了两年的探索后，研究人员们终于开发出了一种被称为“单珠—化合物库策略”（或分裂混合合成策略）的高通量平台，用来构建2401种 lysocin E类似物并进行大规模的SAR（结构-活性）研究。自此研究向前的车轮又转动起来了。

研究人员首先对这2401种类似物全部进行构建，接着，通过串联质谱测序和两种微量活性测定来初步筛选出有效的23种候选化合物。之后，他们又从中挑选出22个候选物来对六种常见细菌的杀伤效果进行测定。最终研究结果显示，其中有11种候选物与原始lysocin E抗生素有相当或更好的抗菌活性。

自此，这一漫长的“科学探究之旅”即将划上圆满的句号。Hiroaki Itoh教授及其团队表示，“我们的方法可用于寻找基于潜在小蛋白质天然产物的其他候选药物，包括用于抗癌或抗病毒。我们也相信，这一快速有效的合成方法可以为早期药物发现提速，并有助于最大限度地发挥天然复杂分子的在人工新药制成上的潜力。”

目前，研究人员还在继续对已发现的三种最有效的lysocin E类似物进行探究，试图了解使用极少量的药剂实现最有效的细菌杀灭的新型药物详细作用机制，并在非人类动物模型中试验其治疗感染的有效性。

参考资料：

[1] Development of a high-throughput strategy for discovery of potent analogues of antibiotic lysocin E

[2] Lysocin E is a new antibiotic that targets menaquinone in the bacterial membrane

[3] Total Synthesis and Functional Evaluation of Fourteen Derivatives of Lysocin E: Importance of Cationic, Hydrophobic, and Aromatic Moieties for Antibacterial Activity

[4] Fighting drug resistance with fast, artificial enhancement of natural products