Nature子刊：高通量策略快速破譯天然抗生素「密碼」，或可對付「超級細菌」

原以為抗生素的研製能夠抵制細菌感染的威脅，為病患帶來更多生機。不幸地是，細菌對環境的適應能力超乎想像，多耐藥性細菌的出現又為全球公眾健康帶來新一輪「恐慌」。於是，科學家又踏上了新一輪的「征服」之路。

近日，由日本東京大學藥學研究科的研究人員們開發了一項高通量策略來快速開發lysocin E強效類似物，為製造多耐藥性細菌抗生素的快速出爐提供助力。其相關研究已發表在《Nature communication》雜誌上。

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

第一突破：lysocin E的發現

Hiroaki Itoh教授在實驗室 圖片來源：東京大學

2011年，來自日本東京大學藥學研究科的助理教授Hiroshi Hamamoto及其團隊開始了尋找多耐藥性細菌抗生素的征途。2014年，他們收穫了好消息。

他們在日本西南部沖繩島的亞熱帶島嶼上所採集的土壤樣品中發現了一種天然抗生素——lysocin E。它是一種由溶桿菌屬細菌產生的天然抗生素，能與細菌膜中的甲萘醌（MK）相互作用，殺滅常見抗生素無法對付的超級細菌MRSA（耐甲氧西林金黃色葡萄球菌）。其相關內容已發表在《Nature chemical biology》雜誌上。

DOI：10.1038 / nchembio.1710（參考文獻2）

儘管這一天然抗生素表現出強大的抗菌活性，但在人體試驗中並不能成為最佳的治療藥劑。因此，Hiroshi Hamamoto教授及其團隊又開始了思考如何研究其化學結構與活性的關係（SAR），來開發最有效的人工合成化合物。

第二突破：全合成破譯複雜化學結構

帶著這一思考，研究人員們發現，Lysocin E是一種結構複雜的37元肽，由12個氨基酸殘基組成，具有N-甲基化醯胺和酯鍵，看起來有點像個「美麗的手環」。

圖片來源：東京大學井上研究小組

也正是因為其結構複雜到難以進行大量分離或化學修飾，所以分步合成其多種類似物是非常耗時且不切實際的。並且，研究人員還發現並不是每一條側鏈都與有效殺菌活性相關。因此，如何破譯這一複雜化學結構中與有效殺菌活性相關的生物線索成為了新難題。

在多次探索之後，研究人員們發現一種「全合成」的方法能夠破譯這種獨特抗生素中的生物線索。2015年，研究人員們實現了第一個相對完整的固相全合成，隨後利用全合成策略的優勢，又製備出了15個具有不同側鏈結構的類似物。對這些類似物的剖析，讓研究人員們進一步發現了有效抗生物活性的關鍵側鏈結構特徵。

有效的抗微生物活性關鍵側鏈結構：橙色（疏水醯基鏈），品紅色（芳香環）和青色（鹼性基團）

之後，研究人員們又從其中挑選出四個側鏈進行初步嘗試。同時，也選出七種不同的氨基酸來測試lysocin E的抗菌活性增強效果。令人驚訝的是，對這四種側鏈和七種氨基酸的所有可能性進行組合共建出2,401種不同合成形式的lysocin E修飾。如何構建和篩選這2401種合成物又讓研究人員們犯難了，研究再次陷入僵局。

終極突破：高通量平台的快速檢測

單珠一化合物（OBOC）文庫的結構 圖片來源：參考資料 [1]

在經歷了兩年的探索後，研究人員們終於開發出了一種被稱為「單珠—化合物庫策略」（或分裂混合合成策略）的高通量平台，用來構建2401種 lysocin E類似物並進行大規模的SAR（結構-活性）研究。自此研究向前的車輪又轉動起來了。

研究人員首先對這2401種類似物全部進行構建，接著，通過串聯質譜測序和兩種微量活性測定來初步篩選出有效的23種候選化合物。之後，他們又從中挑選出22個候選物來對六種常見細菌的殺傷效果進行測定。最終研究結果顯示，其中有11種候選物與原始lysocin E抗生素有相當或更好的抗菌活性。

自此，這一漫長的「科學探究之旅」即將划上圓滿的句號。Hiroaki Itoh教授及其團隊表示，「我們的方法可用於尋找基於潛在小蛋白質天然產物的其他候選藥物，包括用於抗癌或抗病毒。我們也相信，這一快速有效的合成方法可以為早期藥物發現提速，並有助於最大限度地發揮天然複雜分子的在人工新葯製成上的潛力。」

結語

目前，研究人員還在繼續對已發現的三種最有效的lysocin E類似物進行探究，試圖了解使用極少量的藥劑實現最有效的細菌殺滅的新型藥物詳細作用機制，並在非人類動物模型中試驗其治療感染的有效性。

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End

參考資料：

[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

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