“超级细菌的克星”——teixobactin的双重杀菌机制

撰文 | Qi

耐多药细菌的迅速增加是全球健康的一个主要问题，因而需要使用新机制的抗生素来对抗耐药性。2015年，从土壤样品中筛选未培养的细菌发现了teixobactin【1】，这是一种新型抗生素，能对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌和耐万古霉素肠球菌等多重耐药革兰氏阳性病原体具有广泛活性。几个研究小组已经完成teixobactin或其类似物的合成，但是尚未解决其结构上End10的具体作用方式（图1）。研究人员利用固体核磁共振（ssNMR）提出了类似物R4L10-teixobactin和lipid II之间形成的纤维样复合物的结构模型【2-4】。然而，仍无法获得非经典氨基酸的结构信息，由于这些残基在合成的teixobactin中被替换或不能被 13C、15N标记，因此无法通过ssNMR获得。因此，尚不清楚它们在与靶标结合中的作用。此外，R4L10-teixobactin能在膜表面寡聚成簇，但寡聚化的作用仍不清楚。

2022年8月3日，来自荷兰乌得勒支大学的Markus Weingarth团队在Nature杂志上发表了一篇题为Teixobactin kills bacteria by a two-pronged attack on the cell envelope的文章，他们结合ssNMR、体内测定和分子动力学模拟等方法在原子水平上揭示了teixobactin的作用机制，通过仅破坏真核生物中不存在的lipid II。

作者首先在其天然宿主Eleftheria terrae中均匀地生产了13C、15N标记的天然 teixobactin，能和lipid II形成明确复合物并产生ssNMR光谱，利用共聚焦显微镜来探测复合物在掺杂有Atto 550标记的lipid II的巨型单层囊泡（GUV）表面的累积，也能清晰看到微米大小的teixobactin-lipid II寡聚体的形成。值得注意的是，在寡聚化部位存在明显凹膜，而GUV表面的其余部分则保持规则的形态。随后，为了确认teixobactin寡聚化是否也发生在细菌中，作者对携带绿色荧光teixobactin类似物的巨大芽孢杆菌细胞进行观察发现细菌中簇的形成快速而明显，在15 min内可以观察到细长的超分子teixobactin结构，而在孵育45 min后，簇显示出更紧凑的形状（图1）。

与此同时，作者通过高速原子力显微镜（HS-AFM）实时观察到在向掺杂有脂质 II 的脂质膜中添加teixobactin后的几分钟内，HS-AFM数据显示在膜表面形成原纤维，说明teixobactin使用独特的结合模式，导致干扰膜的纤维状复合物的形成。这种机制可以隔离lipid II使其无法用于肽聚糖的生物合成。此外，这种超分子原纤维的稳定性极强，即在靶位点的teixobactin停留时间长，这就意味着teixobactin在给药后很长时间内占据了它的靶点，延长其作用，并有利于治疗生长缓慢的细菌。

图1. Teixobactin的化学结构式（a）；使用掺杂有Atto标记的lipid II并用teixobactin处理的GUV的共聚焦显微镜结果（e）；在荧光teixobactin类似物存在下孵育巨大芽孢杆菌的共聚焦显微镜结果（g）。

接下来，作者利用ssNMR 来确定teixobactin-lipid II界面，lipid II由保守的焦磷酸糖（GlcNAc-MurNAc-PPi）部分和五肽（其变异赋予对糖肽抗生素如万古霉素的抗性）组成【5】。作者发现MurNAc直接位于界面处，而GlcNAc则位于远端，且teixobactin C端的End10与MurNAc紧密结合。需要注意的是，两者的结合限制了五肽的灵活性，从而可能会阻碍与五肽结合的细胞壁生物合成的转糖基酶对lipid II的识别作用。作者进一步利用4个teixobactin和4个lipid II分子来计算复合物结构，相对于二聚体排列而言能更好地描述分子间相互作用。结果表明天然teixobactin紧密且特异性地结合存在于几种同源细胞壁前体中的不变 PPi-MurNAc部分，如lipid I、lipid II 或lipid III，而避开不同菌株的五肽。因此，天然teixobactin能够最大化其目标谱，同时最小化耐药性发展的可能性。

总的来说，这项工作中所揭示的teixobactin-lipid II结合机制阐明了这种超级细菌的克星的独特作用模式。此前，产生不危害人体细胞的抗生素确实是难实现的目标，但teixobactin仅针对膜携带lipid II的细菌发挥作用就很好地解决了这一难题，从而在抑制肽聚糖合成和破坏细胞膜方面的双重作用提供了对细菌细胞包膜的有效攻击，这种与不可变靶标的结合模式造就了它尚不存在耐药性的“无敌”状态。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05019-y

制版人：十一

参考文献

1. Ling, L. L. et al. A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance.Nature517, 455–459 (2015).

2. Giltrap, A. M. et al. Total synthesis of teixobactin. Org. Lett. 18, 2788–2791 (2016). 3. Parmar, A. et al. Teixobactin analogues reveal enduracididine to be non-essential for highly potent antibacterial activity and lipid II binding.Chem. Sci.8, 8183–8192 (2017).

4. Shukla, R. et al. Mode of action of teixobactins in cellular membranes.Nat. Commun.11, 2848 (2020).

5. Munch, D. & Sahl, H. G. Structural variations of the cell wall precursor lipid II in Gram-positive bacteria—impact on binding and efficacy of antimicrobial peptides.Biochim. Biophys. Acta1848, 3062–3071 (2015).

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