在人类与致病菌的抗争中，抗生素是人类的重要武器，但道高一尺魔高一丈，随着细菌抗性的出现，抗生素也面临着失灵的窘境，特别是革兰氏阴性菌(例如大肠杆菌、铜绿假单胞菌)这种难对付的病菌。革兰氏阴性菌有两层细胞膜，最外层覆盖的脂多糖对大多数小分子来说都难以跨越。另外，就算小分子进入细胞内部，也会被细菌的外排泵(effluxpump)感知并排出细胞外。在美国最近一次对革兰氏阴性菌有用的新药获批上市，还要追溯到1968年的喹诺酮类抗生素，几乎半个世纪过去了，各大小药厂一无所获。并不是人类不努力，而是革兰氏阴性菌太狡猾，2007年制药巨头GSK筛选了50万种化合物，最终也没有找到一种能对抗大肠杆菌的新药。

        如何在革兰氏阴性菌中使得药物的进入速度大于被排出的速度，使得药物能累积到有效浓度，来自美国伊利诺伊大学的PaulJ.Hergenrother等人给出了新的策略。他们研究了超过180种能进入并在大肠杆菌中累积的不同药物，发现胺类、两亲性且刚性、结构球形度低的分子更容易留在大肠杆菌中。用这种策略他们对一种原本只作用于革兰氏阳性菌的天然产物——脱氧尼博霉素(Deoxynybomycin，DNM)进行了改造，得到的新化合物活性大变，可以抑制多药耐药的革兰氏阴性病菌。这一激动人心的成果发表在了Nature上。

        大部分抗生素都是天然产物或其衍生物，考虑到结构复杂性和多样性，作者选取了100个代表性的化合物，从分子结构、分子量、ClogD7.4和电荷进行分析它们在大肠杆菌E.coliMG1655中的累积能力，虽有研究发现化合物的累积程度和ClogD7.4相关，但从图1可以看出，结论与之大相径庭。在这100个化合物中，电荷是首要因素，带正电荷的化合物最易累积(12/41)。相比之下中性化合物(0/39)和带负电荷化合物(0/20)没有一个能在大肠杆菌中累积，即使是羧酸(ClogD7.4<-5)也没有累积。这12个化合物都是胺类化合物，其中8个是伯胺。将氨基转变为羧酸、酰胺、酯、氰基、叠氮、醇，都削弱了累积能力，甚至连胺上有取代基都不行。

        作者随后的研究对象是68种不同结构的伯胺化合物。虽有36个伯胺化合物具有累积能力，但也没有充分的理由认为伯胺就是关键因素，毕竟还有32个伯胺化合物没有表现出在大肠杆菌中累积。将这些化合物的化学信息进一步归类分析，作者发现分子的柔性(用可旋转的化学键来表征)和形状(用球形度来表征)是能否累积的关键因素。球形度是个相对的参数，如纯平面的苯球形度为0，而球形的金刚烷球形度为1。如图2所示，化合物具有相似的官能团时比较累积能力，刚性结构(化合物16只有4个可旋转键)大于柔性结构(化合物17有13个可旋转键)，而低球形度化合物(化合物18为0.14)大于高球形度化合物(化合物19为0.49)。最终作者得出结论，刚性(不多于5个可旋转键)且球形度不高于0.25的伯胺化合物，具有更高的在大肠杆菌中累积的可能性。

        根据这个原则，作者将目光瞄向了脱氧尼博霉素DNM，它是一种强效抑制革兰氏阳性菌的天然产物分子，对革兰氏阴性菌没有活性。DNM的结构同时兼有两个关键参数：刚性和较低的球形度，它没有可旋转的化学键，球形度仅为0.02。作者设想如果在合适的部位引入氨基，就有可能将其改造为对付革兰氏阴性菌的大杀器。首先试验的是伯胺衍生物和扩环衍生物，将原来的5元环扩展为6元环，得到6DNM。没有伯胺基团的6DNM对革兰氏阳性的金黄色酿脓葡萄球菌(Staphylococcusaureus)的活性为MIC=0.06–1μg/ml，但它对大肠杆菌没有活性(MIC>32μg/ml)，累积能力很弱。引入氨基后的6DNM-NH3不仅保持着对金黄色酿脓葡萄球菌的活性(MIC=0.03-0.5μg/ml)，还获得了对大肠杆菌E.coliMG1655的活性(MIC=0.5μg/ml)，累积能力也大大提高。如果氨基被乙酰化或者被羧酸基团替代，抗大肠杆菌活性以及累积能力也随之消失。

        进一步的实验表明，6DNM-NH3并且对常见的革兰氏阴性病菌都表现出了很好的抑制活性，ESKAPE(E.coli,Acinetobacterbaumannii,Klebsiellapneumoniae,Enterobactercloacae,Pseudomonasaeruginosa)中也仅仅对P.aeruginosa无效。更惊人的还在后面，对于一株多药耐药的大肠杆菌(ATCCBAA-2469)，第三代喹诺酮类抗生素环丙沙星(ciprofloxacin)无可奈何(MIC>64μg/ml)，而6DNM-NH3可以轻易杀灭(MIC=4μg/ml)。

        作者还研究了6DNM-NH3在大肠杆菌中累积的原因，6DNM-NH3的伯胺基团与细菌膜上孔蛋白(porin)的一个关键天冬氨酸残基的相互作用是其中的关键。

        图4.伯胺基团存在(a/b)与不存在(c/d)的差别，图中紫色为孔蛋白关键天冬氨酸残基Asp113。图片来源：Nature

        ——小结——

        能抑制革兰氏阴性菌的抗生素一直是科学家苦苦探索的目标，Hergenrother教授团队的这项研究为设计或改造抗生素提供了新的策略，化合物的电荷、刚性和分子形状都会影响其在革兰氏阴性菌中的累积及生物活性。运用这一策略，不仅能够将只对革兰氏阳性菌有活性的化合物修饰为广谱抗生素，如6DNM-NH3，同时，还能指导新化合物的设计。这一成果对于人类对抗革兰氏阴性菌有着重要的意义。

        https://www.nature.com/nature/journal/v545/n7654/full/nature22308.html