新型抗生素：来自蠕虫的肠道

诸平

据美国《化学与工程新闻》（C&EN）2019年11月22日报道，美国东北大学（Northeastern University, Boston）、德国贾斯特斯-李比希吉森大学（Justus-Liebig-University of Giessen, Germany）、瑞士巴塞尔大学（University of Basel, Switzerland）、美国普渡大学（Purdue University, West Lafayette)、德国欧洲分子生物学实验室（European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany）、美国克雷格·文特研究所（J. Craig Venter Institute）、德国弗劳恩霍夫分子生物学和应用生态学研究所（Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology, Giessen)以及德国Partner Site Giessen-Marburg-Langen等单位的研究人员合作研究，在蠕虫的肠道中发现了新型抗生素——达罗布汀（Darobactin见上图），它可以灭杀大肠杆菌（E. coli）和其他致命病原体（deadly pathogens），为新型革兰氏阴性抗生素（gram-negative antibiotics）指明了新方向。

达罗布汀是一种新发现的抗生素化合物，由生活在挖洞寄生线虫的肠道中的细菌产生，可以杀死一些最凶恶的超级细菌。相关研究于2019年11月20日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表。详见Yu Imai, Kirsten J. Meyer, Akira Iinishi, Quentin Favre-Godal, Robert Green, Sylvie Manuse, Mariaelena Caboni, Miho Mori, Samantha Niles, Meghan Ghiglieri, Chandrashekhar Honrao, Xiaoyu Ma, Jason Guo, Alexandros Makriyannis, Luis Linares-Otoya, Nils Bohringer, Zerlina G. Wuisan, Hundeep Kaur, Runrun Wu, Andre Mateus, Athanasios Typas, Mikhail M. Savitski, Josh L. Espinoza, Aubrie O’Rourke, Karen E. Nelson, Sebastian Hiller, Nicholas Noinaj, Till F. Schaberle, Anthony D’Onofrio & Kim Lewis. A new antibiotic selectively kills Gram-negative pathogens. Nature, 2019, ) doi:10.1038/s41586-019-1791-1.

世界卫生组织最近敲响了警钟，即需要新的抗生素来对抗一大批被称为革兰氏阴性菌的病原体。此类药物的新类别大约半个世纪以来尚未获得批准，并且这些病菌对现有抗生素的耐药性越来越高。革兰氏阴性细菌是包括大肠杆菌( Escherichia coli)、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)在内的一组病原体，特别难以用新抗生素靶向，因为它们的双重外膜可防止药物渗透。

美国东北大学抗菌研究中心（Antimicrobial Discovery Center at Northeastern University）的金·刘易斯（Kim Lewis）和他的同事将寻找新抗生素的场所带到了一个不寻常的地方：线虫的肠道。细菌通常会制造出以其竞争对手为目标的化合物，但是这些天然化合物可能有毒，或者对人不起作用。刘易斯说，这个想法是“识别与人类具有相似抗生素需求的细菌”。为了符合要求，微生物应制造出能杀死革兰氏阴性病原体，对动物无毒，并在体内停留足够长的时间，才能有效用作为药物。

他的实验室专注于一种名为Photorhabdus的细菌研究，该细菌生活在线虫的肠道微生物组中。Photorhabdus和它的蠕虫宿主合作对它们的猎物进行出色的处理。线虫感染昆虫幼虫，然后释放细菌。然后细菌进入杀死，喷出毒素。保护膳食份额也符合Photorhabdus的利益。为了防止存在于线虫肠道中的其他细菌从昆虫腐烂中吸走，Photorhabdus会产生杀死竞争对手细菌的化合物，其中许多细菌均为革兰氏阴性。

刘易斯认为，其中一些化合物可能会选中所有条件：它们对线虫无毒，并且会通过幼虫组织，因此它们的药代动力学必须非常好。刘易斯说：“那是我们认为好的抗生素可能隐藏在那些细菌的基因组中的地方，这就是我们开始非常仔细地寻找的地方。”

为了鉴定有前途的化合物，研究人员在实验室中繁殖了大量的Photorhabdus，然后对其提取物进行浓缩。当他们发现这种物质的一种名为达罗布汀成分，杀死了大肠杆菌时，便大跌眼镜。

达罗布汀具有异常的化学性质。刘易斯说：“它有两个稠合环，其中一个是由未活化的碳-碳键构成的。”“我们以前从未在抗生素中看到过这种键或结构。”

对于抗生素而言，达罗布汀的分子量也异常大，为965 道尔顿（Daltons）。因为分子量太大，以至于不能穿透革兰氏阴性细菌膜，因此，对于达罗布汀如何起作用的机理尚不清楚。为了找出答案，研究人员反复将大肠杆菌暴露于该化合物中，直到出现耐药菌为止。这些细菌在一个编码称为BamA的分子的基因中携带突变，该分子位于细菌的外膜之上。

“将BamA作为靶标很有趣，因为它是一种外膜蛋白，”美国伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois at Chicago）的生物化学家亚历山大·曼金（Alexander Mankin）说，“因此，达罗布汀不需要穿过膜。这简直太酷了！”

达罗布汀杀死了培养物中的几种革兰氏阴性细菌，包括大肠杆菌（E. coli）、克雷伯菌（Klebsiella）、志贺氏菌（Shigella）以及沙门氏菌（Salmonella）。他们还用小鼠实验测试了该化合物。单剂量保护了小鼠感染大肠杆菌（ E. coli）、肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）后没有死亡，而且没有毒性，相反，而未经使用达罗布汀治疗的小鼠都在24 h内死亡。

印第安纳大学（Indiana University）的生物化学家凯伦·布什（Karen Bush）说，这种化合物在低浓度时不会抑制所有革兰氏阴性细菌的生长。她说：“但是，达罗巴汀(darobactin)可以作为新型骨架”，药物化学家可以对其进行调整以制造出更广泛有效的药物。

刘易斯和他的团队在多种Photorhabdus以及其他细菌（包括生活在人类肠道中的耶尔森氏鼠疫杆菌[Yersinia]）中发现了达罗巴汀（darobactin）序列化合物。他们正在继续挖掘线虫细菌以获取其他有药用价值的化合物。刘易斯说：“ Photorhabdus已经存在了3.7亿年。” “在这段时间里，他们可能在整个星球上筛选了对他们有用的抗生素，因此对我们来说，有待深入研究。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The current need for novel antibiotics is especially acute for drug-resistant Gram-negative pathogens. These microorganisms have a highly restrictive permeability barrier, which limits the penetration of most compounds. As a result, the last class of antibiotics acting against Gram-negative bacteria was developed in the 1960s. We reason that useful compounds can be found in bacteria that share similar requirements for antibiotics with humans, and focus on Photorhabdus symbionts of entomopathogenic nematode microbiomes. Here we report a new antibiotic that we name darobactin, from a screen of Photorhabdus isolates. Darobactin is coded by a silent operon with little production under laboratory conditions, and is ribosomally synthesized. Darobactin has an unusual structure with two fused rings that form post-translationally. The compound is active against important Gram-negative pathogens both in vitro and in animal models of infection. Mutants resistant to darobactin map to BamA, an essential chaperone and translocator that folds outer membrane proteins. Our study suggests that bacterial symbionts of animals contain antibiotics that are particularly suitable for development into therapeutics.

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