全新抗菌机制！《Nature》重磅：让细菌“爆炸”的新型抗生素

来源：高分子科学前沿

细菌耐药基因的快速进化，超级细菌的不断出现和广泛传播已经成为全球面临的一个极具挑战的健康问题。中外研究人员甚至在牲畜和人身上发现了一种能对抗强效抗生素的“超级细菌”基因，这意味着人类所用抗生素中的“最后一道防线”有被攻破的风险 1 。据世界卫生组织预计，到2050年，全球由于细菌耐药性所导致的死亡人数将达到每年1000万，超过癌症引发的死亡人数。与耐药性的发展形成鲜明对比的是抗生素的开发愈发缓慢，2015年初，美国东北大学Kim Lewis教授成功发现了近30年来的第一个新型抗生素teixobactin2。

历时四年的不断探索， Kim Lewis教授团队再次发现一种新型抗生素——darobactin, 一种发光杆菌的代谢产物，含有7个氨基酸的短肽，可通过结合一个关键外膜蛋白bamA，选择性杀伤革兰氏阴性菌。本文提出一种新的杀菌机制，即通过抑制bamA外膜蛋白，破坏细菌外膜诱导细胞裂解，最终导致细菌原地爆炸（Nature, 2019, https://doi.org/10.1038/s41586-019-1791-1）。

图1 Darobactin 结构

研究人员从67株嗜线虫致病杆菌和发光杆菌的代谢产物中，发现发光杆菌可产生抑制大肠杆菌E.coli的生长的化合物。经高效液相色谱和高分辨质谱的分离鉴定，NMR核磁结构分析，鉴定出该有效化合物为含有7个氨基酸的短肽W1-N2-W3-S4-K5-S6-F7，分子量996.4（如图1）。

荧光显微镜下观察发现大肠杆菌在darobactin作用后出现气泡、肿胀、爆炸的细胞形态。由于通常小于600Da的小分子才可以穿透细菌外膜，因此首先考虑该抗生素是否如多粘菌素一样作用于外膜的脂多糖LPS，但是结果发现添加LPS对darobactin杀伤大肠杆菌的效果并没有显著影响；继而研究者推测该短肽分子的靶标可能是外膜蛋白。为进一步探索darobactin的特异性结合蛋白，大肠杆菌在darobactin的sub-MIC压力下连续传代7天，获得三株darobactin耐受的菌株，对三株耐药菌株进行基因测序发现在一个关键外膜蛋白bamA的基因编码区出现了2-3个相同的突变，接着将这三个突变位点在野生型大肠杆菌中做等位突变，发现该野生型大肠杆菌即对darobactin出现显著耐药性，表明darobactin的靶标蛋白即bamA。最后研究人员通过小鼠实验，分别将敏感型和耐药性的大肠杆菌、绿脓假单抱杆菌以及肺炎链球菌注射入小鼠腹腔，发现darobactin均可以有效提高小鼠的生存率。

图2 Darobactin的结合靶点bamA外膜蛋白

在耐药菌传播速度加快而抗生素开发极其缓慢的当下，Kim Lewis教授团队开发的新型抗生素无疑给全球健康带来了新的曙光。本文不仅鉴定出Darobactin 的结构，而且提出新的抗菌机制——结合关键外膜蛋白bamA，破坏细菌外膜诱导细胞裂解，导致细菌爆炸。

图3 Darobactin作用于E.coli不同时间内细胞形态的变化

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1791-1#Sec40

参考文献：

1.    Liu, Y.-Y.; Wang, Y.; Walsh, T. R.; Yi, L.-X.; Zhang, R.; Spencer, J.; Doi, Y.; Tian, G.; Dong, B.; Huang, X.; Yu, L.-F.; Gu, D.; Ren, H.; Chen, X.; Lv, L.; He, D.; Zhou, H.; Liang, Z.; Liu, J.-H.; Shen, J., Emergence of Plasmid-Mediated Colistin Resistance Mechanism Mcr-1 in Animals and Human Beings in China: A Microbiological and Molecular Biological Study. The Lancet Infectious Diseases 2016, 16, 161-168.

2.    Ling, L. L.; Schneider, T.; Peoples, A. J.; Spoering, A. L.; Engels, I.; Conlon, B. P.; Mueller, A.; Schaberle, T. F.; Hughes, D. E.; Epstein, S.; Jones, M.; Lazarides, L.; Steadman, V. A.; Cohen, D. R.; Felix, C. R.; Fetterman, K. A.; Millett, W. P.; Nitti, A. G.; Zullo, A. M.; Chen, C., et al., A New Antibiotic Kills Pathogens without Detectable Resistance. Nature 2015, 517, 455-459.