机器人助力金属化合物成就抗生素新突破

科学家借助机器人和“点击化学”技术，制造出了包含金属的、可能成为未来抗生素的活性成分。

一项新研究发现，铱金属络合物是一种非常有前景的新型抗生素类药物，尽管这个想法听起来似乎有些违背常规。这个化合物是在去年12月发表于《自然通讯》杂志上的一项研究报告中涉及的600多种化合物之一。该研究使用机器人合成化合物，将金属和有机分子结构单元结合起来，仅用一周时间就构建了一个庞大的化学分子库。

该研究的主要作者、英国约克大学的无机化学家安吉洛·弗雷说，这种简化方案同样也制造出了其他5种潜在抗生素，可以极大加速药物发现进程，并促进化学研究其他平行领域的发展。

随着耐药细菌感染日益普遍，人们需要有效的新抗生素来杀死对现有药物不再有反应的细菌。迄今为止，研究主要集中在有机分子（即碳基分子）上，金属络合物几乎未得到探索。

与形态扁平的有机分子相比，这些含金属化合物在形状上存在显著差异；其三维形态赋予了它们独特的化学和生物特性。研究报告作者说，这种属性，加上这些分子易于合成，使它们成为未来抗生素一个令人兴奋的潜在来源。

但由于有关金属络合物抗菌特性的现有数据很少，弗雷团队需要一种有效的方法来尽可能多地快速制造和测试化合物。他们的解决方案是将直接有效的化学手段与最先进的自动化技术相结合。

研究团队首先创建了由192种不同配体组成的配体库，这些配体是连接金属中心并决定整个络合物最终特性的有机分子。他们用液体处理机器人进行"点击化学"反应来完成这一过程。这一有效的反应能够将两种称为叠氮化物和炔烃的起始原料融合在一起，构建被称为三唑的含氮环。这些氮环能与金属牢固结合。

在流程的下一步，机器人将这192种配体中的每一种分别与5种不同的金属结合，总共生成了672种金属络合物。

弗雷说："我们选择使用液体处理机器人进行化学反应，因为它只需以正确比例将不同试剂结合在一起。"他说，在制造出叠氮化物后，"然后我们加入炔烃和催化剂进行点击反应，接着再用这些配体连接不同的金属。这都可以用机器人在一个容器中完成"。

研究团队对每种产物进行了分析，以确认已形成预期络合物，然后立即测试其抗菌活性和对人类细胞的潜在毒性。通过这种方式，研究团队快速识别出了最安全且效力最强的化合物，而没有在漫长的纯化步骤上浪费时间。

弗雷解释说："它使我们能从数百种化合物中筛选出几十种令人感兴趣的化合物。"

含有铱和铼的络合物表现出特别高的抗菌活性。总的来说，其中59种铱化合物和61种铼化合物抑制了金黄色葡萄球菌的生长，这是导致医院感染的重要原因，感染程度从轻度到致命不等。这两种金属对人类细胞的毒性各不相同。根据这些初步筛选结果，研究团队选择了六种能够最有效地平衡抗菌活性和低毒性的化合物进行进一步研究。

弗雷说："当我们识别出那些真正有前景的化合物时，我们就可以回到实验室，重新制造它们，分离并表征它们，以确认之前我们在（未提纯的）混合物中看到的结果。"

在第二轮测试中，一种铱络合物明显脱颖而出。这种化合物对细菌的活性大约是对人类细胞毒性的50到100倍。这种巨大差异对于确保络合物在有效治疗感染的同时对人体组织安全至关重要。

没有参与这项研究的澳大利亚昆士兰大学分子生物科学家马克·布拉斯科维奇对弗雷团队研究方法的效率以及自动合成所产生的化合物的多样性印象深刻。然而他说，要将他们的候选抗生素转化为可行的临床药物，还有大量工作要做。

他在发给趣味科学网站的电子邮件中说，"最重要的下一步"是证明最有前景的化合物具有药物特性，这意味着它们在化学性质上是稳定的，并且对人体没有很多脱靶效应。此外，研究需要展示这些化合物在生物体内如何发挥作用，他说"最好在感染研究的'金标准'小鼠模型上进行"。

为了让这些潜在的抗生素获得临床使用批准，最终将在实验室动物身上进行研究，随后进行临床试验，以最终证明这些药物对人类既安全又有效。

不过弗雷打算先在这个初步化合物库的基础上，利用人工智能帮助确定特定的性质目标。他说："我们可以利用这些数据做出更明智的决定。所以我们可以进行机器学习和模型训练，将哪些结构特征与良好的活性和低毒性关联起来，然后让模型预测接下来我们应该制造哪些化合物。"

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