冷泉港研发出新型“变形”抗生素,或是对抗耐药病菌的关键武器!

2023-05-10 19:42:22, 吴武陵


近期,关于耳念珠菌(Candida auris,C. auris)在美国一半以上州传播的消息引发网民关注。虽然这种真菌的主要威胁集中在需要用到辅助医疗器械的特殊人群身上,但值得注意的是,出现了许多对棘白菌素耐药的病例,而棘白菌素是最推荐用于治疗耳念珠菌感染的抗真菌药物。美国疾病控制与预防中心因此将C. auris认定为一种紧迫的抗生素耐药性(antimicrobial resistance,AR)威胁。


耐药性一直是一项严重的公共卫生威胁,被世界卫生组织列为前十大威胁之一。每年仅在美国就有近300万人感染耐药细菌和真菌,导致约3.5万人死亡。虽然抗生素在治疗感染方面至关重要,但过度使用已导致耐药菌株的发展。这些感染对治疗构成了重大挑战。


现在,冷泉港实验室(Cold Spring Harbor Laboratory,CSHL)的John E. Moses教授开发了一种新武器来对抗耐药超级细菌——一种具有形态变化能力的创新抗生素,可以通过重新排列其原子来变形。相关成果以“Shapeshifting bullvalene-linked vancomycin dimers as effective antibiotics against multidrug-resistant gram-positive bacteria”为题,于4月3日发表于PNAS。


图1 研究成果(图源:[1])


Moses教授从观察军事训练演习的坦克中得到了形态变化抗生素的灵感。坦克具有旋转炮塔和灵活的移动能力,可以快速应对可能的威胁。他开始思考能否创造出一种具有类似灵活结构的药物,可以根据环境改变形状。“这个想法非常疯狂,我不知道该怎么实现它。”他说。


几年后,Moses教授了解到了一种叫做牛烯(bullvalene)的分子。牛烯是一种流动分子,意味着它的原子可以交换位置,从而赋予它超过一百万种可能的构象——正是Moses教授所寻找的流动性。


新抗生素的化学结构是由Moses教授设计并由其实验室合成的。Moses教授的合作伙伴、澳大利亚纽卡斯尔大学的Thomas Fallon博士提供了形态变化的牛烯核心。Moses教授表示,有一个评论者称这项研究是“我见过的最酷、最复杂的天然产物衍生物论文”。


万古霉素是一类糖肽类抗生素,用于治疗从皮肤感染到脑膜炎的各种耐药性细菌感染。然而,近几十年来,出现了一些对之产生耐药性的细菌,包括MRSA(耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌)、VRSA(耐万古霉素的金黄色葡萄球菌)和VRE(耐万古霉素的肠球菌属细菌)等。Moses教授认为,将其与牛烯结合起来可以提高万古霉素对抗细菌的效果。


他转向了快速、高产率的“点击化学”技术,该技术又被称为“链接化学”、“速配接合组合式化学”,可以通过小单元的拼接,快速可靠地“点击”分子在一起,使反应更有效率。2022年,该技术的主要贡献者获得了诺贝尔化学奖。


“点击化学很棒,”Moses教授说道,他曾在两届诺奖得主K. Barry Sharpless的指导下学习这一革命性的技术,“这给了你确定性和制造复杂物质的最好机会。”


利用这种技术,Moses教授和他的同事创造了一种新的抗生素,具有两个万古霉素“弹头”和一个流动的牛烯中心。


图2 新型“变形”抗生素结构示意(图源:[2])


万古霉素能够杀灭细菌的关键机制在于,它能够与细菌细胞壁生物合成途径中的一个重要分子结合,从而破坏细菌细胞壁的合成过程,导致细菌死亡。而细菌如果改变了该分子与万古霉素结合部位的关键二肽,或通过发生变异,表达一种能够催化替代合成途径的酶,就能够继续合成细胞壁,形成对万古霉素的耐药性。不过,这次Moses教授合成的可变形万古霉素二聚体则无惧于这种变化。另外,Moses教授还发现,“变形”万古霉素能够破坏翻转酶 MurJ和脂质II之间形成的复合物的稳定性,该复合物同样对细菌细胞壁的生长和维护十分关键,这意味着“变形”万古霉素又开辟了一条杀死细菌的新通道。


Moses教授与阿德莱德大学的Tatiana Soares da-Costa博士合作,将这种新药物给予VRE感染的蜡蛾幼虫进行了测试。他们发现,与万古霉素相比,变形抗生素在清除致命感染方面显著更有效。此外,细菌没有对这种新抗生素产生耐药性。


Moses教授解释说,研究人员可以利用点击化学和形态变化的抗生素创造出多种新药物。这样的抗感染武器甚至可能是我们物种生存和进化的关键。


“如果我们能发明能够决定生死的分子,”他说,“那将是最伟大的成就。”


责编|风立宵

校对|风立宵

End

参考资料:

[1]Ottonello A, Wyllie JA, Yahiaoui O, et al. Shapeshifting bullvalene-linked vancomycin dimers as effective antibiotics against multidrug-resistant gram-positive bacteria. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Apr 11;120(15):e2208737120. doi: 10.1073/pnas.2208737120.
[2]https://scitechdaily.com/shape-shifting-antibiotics-a-new-weapon-against-drug-resistant-superbugs/?utm_content=cmp-true

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