几十年来，抗生素一直是一种神奇的药物。它从曾经致命的感染中拯救了数百万人的生命，使复杂的手术不再困难。但随着抗生素在医疗及农业领域的过度使用或误用，细菌耐药性问题变得愈发严重。丹麦微生物学家Hans Christian Gram在19世纪后期发现细菌可分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。革兰氏阳性菌的细胞壁由一层厚而致密的肽聚糖和磷壁酸组成，而革兰氏阴性菌的细胞壁则是多层结构，从内到外依次是：薄薄的肽聚糖层，脂蛋白层/周质层，磷脂层和脂多糖层。这种特殊的结构导致许多抗生素（如万古霉素）可通过革兰氏阳性菌的外肽聚糖表面到达其靶标，却不能通过革兰氏阴性菌的外膜。近半个世纪以来，全球依然没有能够有效对抗革兰氏阴性菌的抗生素被批准。恰巧，大多数产生多重耐药性的病原体——所谓的超级细菌——也属于革兰氏阴性菌。令人担忧的是，不仅“武器库”数量稀少，我们拥有的许多“武器”也越来越无效。一旦这些具有抗药性的细菌感染人体，在没有任何有效药物可使用的情况下后果将会非常危险，甚至可能致命。
Arylomycins是一种可抑制细菌I型信号肽酶（SPase）的大环脂肽类天然产物，已经被证明具有抵抗革兰氏阳性菌（比如葡萄球菌）的潜力。在革兰氏阳性菌中SPase的活性位点暴露在细胞表面；而在革兰氏阴性菌中，SPase的活性位点位于细胞质膜和外膜之间的周质空间中。由于Arylomycins具有高分子量和亲脂性，难以透过细胞外膜。因此，近二十年来，科学家们的注意力大多集中在开发靶向SPase的抗革兰氏阳性菌抗生素。近日，美国基因泰克（Genentech）公司的研究人员通过对Arylomycins进行结构改造，发现了一种新型抗生素G0775，该抗生素具有全新的过膜机制，对革兰氏阴性菌具有强效、广谱的抗菌活性。重要的是G0775对许多高度多药耐药（MDR）的病原体敏感，并且不易产生耐药性。该研究团队在国际顶尖期刊Nature上以“Optimized arylomycins are a new class of Gram-negative antibiotics”为题报道了他们这一重磅性研究成果，文章被选为该期的封面（Nature, 2018, 561, 189-194）。
（来源：Nature）
以Fig. 1中Arylomycin A-C16为例，Arylomycins分子结构的核心骨架为大环三肽，环上含有N-端脂肽（紫色），C-端羧酸（绿色）和芳环上的两个酚羟基（红色）。为了将其修饰成具有抗革兰氏阴性菌活性的抗生素，研究人员在三个区域进行了探索。
（来源：Nature）
研究人员发现，将Arylomycins中线性d-N-Me-Ser-d-Ala-Gly三肽缩短为单一的二氨基丁酸，并用2-(4-叔丁基苯基)-4-甲基嘧啶-5-羧酸代替脂肪链可以显著改善抗革兰氏阴性菌的活性（Extend Date Fig. 6）。其次，研究人员尝试在C-端羧酸处进行修饰，他们发现2-氨基乙腈基团可进一步提高对抗大肠杆菌（E. coli）和肺炎克雷伯氏菌（K. pneumoniae）的活性，并且对难以对抗的鲍曼不动杆菌（A. baumannii）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的活性增强。最后，研究人员通过将两个酚羟基与氨基乙醇成醚得到分子G0775（Fig. 1）。与Arylomycin A-C16相比，G0775对ESKAPE病原体（E. coli 、K. pneumoniae等）的效力至少提高了500倍。此外，G0775对臭名昭著的P. aeruginosa和A. baumannii也有效，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）等革兰氏阳性菌的活性也显著提高（Table 1）。
（来源：Nature）
（来源：Nature）
研究人员还发现，G0775能绕过现有的抗性机制并显示出对抗MDR革兰氏阴性菌的有效体外和体内活性，包括极其耐药的K. pneumoniae菌株CDC 0106。G0775与已批准的药物在对抗CDC 0106上形成鲜明对比（Table 2）。
（来源：Nature）
进一步研究表明，G0775以前所未有的方式与效应蛋白LepB结合。G0775上的氨基乙腈没有像预期那样与催化的丝氨酸（S91）结合，而是与催化的赖氨酸（K146）的氮原子形成不可逆的共价键，通过抑制LepB杀死革兰氏阴性菌。另外，作者提出了G0775中腈与K146形成共价脒键的机制：参与底物蛋白水解的一般碱基（K146）作为攻击氰基的亲核试剂而起作用。
（来源：Nature）
最后，研究人员揭示了G0775虽然具有高分子量和高极性却能以合理的效率渗透外膜的原因：G0775通过孔蛋白非依赖性机制穿透外膜。化合物与外膜结合并使其不稳定的进入机制被称为“自促进摄取”，而带正电荷基团的存在可以促进该过程。
结语：美国基因泰克公司的研究人员通过对Arylomycins进行结构改造发现了一种新型抗生素G0775，该抗生素具有全新的过膜机制，对革兰氏阴性菌具有强效、广谱的抗菌活性。
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