抗生素耐药性威胁：如何找到新的解决方案？
抗生素的临床应用可以说是20世纪最伟大的医学突破。除了治疗传染病外，抗生素还使许多现代医疗程序成为可能，包括外科手术和器官移植等。然而，滥用这些有价值的化合物已导致耐药性迅速上升，一些感染现在已无法有效治疗。临床上使用的大多数抗生素都来源于筛选土壤栖息细菌发现的天然产物。然而，到目前为止，传统的筛选方式似乎被过度训练，因为它们往往会产生以前已知的化合物。因此，探寻新的渠道来寻找具有新的作用机制的新抗生素迫在眉睫。近期，多篇文献报道了抗生素相关研究，为新型抗生素的临床引用提供帮助。
1. 来自未培养细菌的抗生素与不可变的靶标结合
抗菌素耐药性是世界范围内的主要死亡因素。德国波恩大学医院药物微生物学研究所Tanja Schneider团队报告发现了clovibactin，一种从未培养的土壤细菌中分离出来的抗生素[1]。Clovibactin有效地杀死耐药的革兰氏阳性细菌病原体，而不会产生可检测到的耐药性。利用生物化学分析、固态核磁共振和原子力显微镜，他们进一步剖析了clovibactin的作用模式。Clovibactin通过靶向多种必需肽聚糖前体(C55PP、脂质II和脂质IIIWTA)的焦磷酸来阻断细胞壁合成。Clovibactin使用一种不寻常的疏水界面紧紧包裹焦磷酸，但绕过了前体的可变结构元素，这是不会产生耐药性的原因(图1)。选择性和有效的靶标结合是通过将前体螯合到超分子原纤维中来实现的，超分子原纤维仅在含有脂质锚定焦磷酸基团的细菌膜上形成。因此，clovibactin具有良好的安全性，对人类细胞没有毒性。这种强效抗生素有望设计出改进的治疗方法，在不产生耐药性的情况下杀死细菌病原体。
2. 抗生素结合位点的高分辨率景观
抗生素结合位点位于必需酶的重要结构域，并已在耐药性突变的背景下进行了广泛研究。然而，这类研究受到正向选择的限制。美国纽约大学格罗斯曼医学院生物化学和分子药理学系Evgeny Nudler团队使用多重基因组工程来克服这一限制，他们制备并表征了760个单残基突变体，包括大肠杆菌RNA聚合酶(RNAP)的整个利福平结合位点[2]。通过基因定位药物-酶相互作用，他们确定了一个α螺旋的突变显著改变利福平的结合效力。他们发现这个区域的突变延长了抗生素的结合时间，通过诱导致命的DNA断裂将利福平从抑菌药物转化为杀菌药物(图2)。而利福平的杀菌作用是复制依赖的，通过在启动子处引起有害的转录-复制冲突而致死。他们还发现了额外的结合位点突变，极大地提高了RNAP的酶活，快速消耗细胞的核苷酸，改变细胞对不同抗生素的敏感性，并提供冷生长优势。这项研究阐明了抗生素结合位点是必需酶的多功能结构域，并启发了对其他主要抗生素靶标的类似表征，以拓宽对抗菌机制、细菌生理学和进化的理解。
3. Teixobactin通过对细胞包膜的双管齐下攻击杀死细菌
Teixobactin是一种新型抗生素，具有独特的化学支架，并且尚无可检测到的耐药性。Teixobactin靶向脂质II，肽聚糖的前体。荷兰乌得勒支大学理学院化学系Bijvoet生物分子研究中心Markus Weingarth团队结合固态NMR、显微镜、体内测定和分子动力学模拟，在原子水平上揭示了teixobactin的机制[3]。Teixobactin独特的enduracididine C末端头基与脂质II的焦磷酸糖部分特异性结合，而N末端与另一个脂质II分子的焦磷酸结合。这种构象有利于形成与靶标结合的teixobactin β片，形成超分子原纤维结构(图3)。与保守的焦磷酸糖部分的特异性结合解释了对teixobactin尚无耐药性的原因。超分子结构损害了膜的完整性。原子力显微镜和分子动力学模拟表明，超分子结构取代磷脂，使膜变薄。脂质II的长疏水尾巴集中在超分子结构内，有助于膜破坏。Teixobactin只破坏含有脂质II的膜，而脂质II在真核生物中是不存在的，很好地解决了毒性问题。Teixobactin在抑制肽聚糖合成和破坏膜方面的双重作用提供了对细菌细胞包膜的有效攻击，对teixobactin机制的理解将有助于合理设计和改进候选药物。
参考文献
[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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