Nature：病毒已经进化出一种新的杀菌方法，这是杀死细菌的新方法

加州理工学院的生物化学家们发现，病毒已经进化出一种新的杀菌方法，这为新型抗生素药物的设计提供了一个潜在靶点。一个由加州理工学院领导的生物化学家团队重点研究了一种名为 MurJ 的小型转运蛋白，这种蛋白此前鲜为人知。MurJ 是细菌构建其链状细胞壁的关键组成部分。细胞壁的重要组成部分——肽聚糖，赋予细菌抵抗压力的能力。科学家们利用先进的工具，确定了三种不同的杀菌病毒阻断 MurJ 发挥作用的共同机制。这一发现揭示了一个设计新型抗生素的新靶点。

2月25日，一篇关于这项新研究的论文在线发表在《自然》杂志上。该论文的第一作者是Yancheng Evelyn Li，她是加州理工学院生物化学系Arthur和Marian Hanisch纪念教授Bil Clemons实验室的研究生，Bil Clemons教授是该论文的通讯作者。 

Clemons说：“进化是强大的，细菌对抗生素的耐药性发展迅速。这意味着我们现在要面对的是对所有现有药物都具有耐药性的细菌。仅在美国，每年就有数万人死于耐药菌感染，而且这个数字还在迅速上升。我们需要新的抗生素来对抗这种情况。” 

科学家们长期以来一直对合成肽聚糖的细胞通路（即肽聚糖生物合成通路）很感兴趣，并将其视为抗菌靶点。“肽聚糖是细菌特有的物质，这使其成为极具吸引力的抗生素靶点，”Clemons说道。 

肽聚糖生物合成途径的许多细节已被阐明，并被用作抗生素的靶点。第一种药物是抗生素青霉素，由亚历山大·弗莱明在上世纪中叶发现。青霉素及其衍生物，例如阿莫西林，靶向该途径的后期步骤以杀死细菌。 

在细菌中，三种关键蛋白质——MraY、MurG 和 MurJ——负责将肽聚糖的组成单元从细胞内部转移到细胞内膜。如果这三种蛋白质中的任何一种出现功能障碍，肽聚糖就无法合成，细菌就会死亡，这使得细菌成为抗生素研发的理想靶点。科学家们对这些蛋白质已经了解颇多，但正如克莱蒙斯所指出的，许多基本的机制问题仍然悬而未决。 

抑制这些蛋白质的益处显而易见，但目前尚无针对它们的药物。不过，Clemons表示：“我们知道，我们可以找到一些小分子，无论是源自天然的还是在化学库中合成的，它们都能抑制这些蛋白质。令人兴奋的是，最近的研究表明，噬菌体已经找到了靶向这一通路的方法。” 

噬菌体，也称为噬菌体，是一种以细菌为宿主的病毒。它们的生存取决于能否进入细菌细胞，复制自身，然后离开细胞尽可能广泛地传播。“要离开细菌，它们必须穿过肽聚糖层。肽聚糖层就像锁子甲一样，如果噬菌体无法突破，就会被困住。”

实验室已将部分研究重点转向单链DNA和RNA噬菌体，这类噬菌体基因组小，只需简单的方法即可杀死细菌。2023年，该实验室在《科学》杂志上发表了一篇关于其中一种噬菌体φX174的论文，这种噬菌体在加州理工学院有着悠久的研究历史。 

这些小型噬菌体用来杀死细菌的武器是被称为单基因裂解蛋白（Sgls，发音类似“sigils”）的蛋白质抗生素。最近，Li和Clemons将研究重点放在靶向MurJ的Sgls上，以期发现新的抗生素。MurJ是一种翻转酶，它能将肽聚糖的组成单元“翻转”到细胞膜另一侧，使其能够用于构建肽聚糖链。此前，合作者已经证明，两种Sgls——SglM和SglPP7，它们彼此无关，分别由两种不同的噬菌体产生——都能通过抑制MurJ来杀死细菌。

最新的研究中，Li利用加州理工学院贝克曼研究所生物和低温透射电子显微镜（Cryo-EM）资源中心，揭示了这两种Sgl蛋白如何抑制MurJ的翻转活性。翻转酶（如MurJ）的工作原理是通过交替改变其运输分子在细胞膜两侧的进出通道，而无需在细胞膜上形成开口。对于MurJ而言，细胞内肽聚糖前体的结合会触发一种结构变化，从而有效地将该分子转移到细胞外。李发现，这两种Sgl蛋白都与翻转酶上的一个凹槽结合，阻止了该蛋白发生这些结构变化。  

“很明显，这两种Sgl蛋白都以向外开放的构象与MurJ结合，并将其锁定在该位置，”Li说道。这令研究人员感到兴奋，因为MurJ的向外开放构象使其更容易接触周围环境。理论上，与向内开放的构象相比，这种构象更容易被抗生素靶向。 

Clemons表示，这一发现令人震惊还有另一个原因。“这些肽彼此之间没有任何进化联系，却都以非常相似的方式靶向了MurJ。这是趋同进化的两个例子，不同的进化路径最终殊途同归。我们感到非常惊讶！” 

研究人员补充说，由于病毒进化迅速，可能存在无穷无尽的噬菌体，它们都含有Sgl蛋白。由于噬菌体易于获取，挖掘这些病毒基因组可以带来新的生物学发现和新的抗生素靶点。在《自然》杂志上发表的论文中，科学家们正是利用一种新的噬菌体开展了这项研究。他们与一位合作者共同鉴定出一种新的Sgl蛋白，命名为SglCJ3（源自一个被预测为噬菌体且名为长江3的基因组序列），并对其进行了冷冻电镜分析。李教授解析了SglCJ3与MurJ结合的结构，发现它也以与MurJ相同的向外构象结合。 

Clemons说：“这是第三个进化出独特肽段，以类似方式抑制同一靶点的基因组。这是首个强有力的证据，表明进化将MurJ识别为杀死细菌的理想靶点，这意味着我们应该顺应进化的指引，开发靶向MurJ的疗法。这展现了基础生物学在帮助我们解决医学难题方面的强大力量。我们致力于利用Sgl的发现，并希望继续获得支持，将这些概念转化为现实。”