科学家发现抗生素如何穿透革兰氏阴性细菌细胞壁

伊利诺伊州香槟市——几十年来，科学家们一直在努力寻找能够对抗革兰氏阴性菌的抗生素，革兰氏阴性菌会导致医院环境中一些最致命的感染，并且最有可能对现有抗生素的治疗产生抗药性。在《化学科学》杂志上报道的一项研究中，研究人员开发了一种新方法来确定具有特定化学特性的抗生素如何穿过革兰氏阴性细菌无法穿透的细胞包膜中的小孔。

“抗生素耐药性是目前世界上的一个主要临床问题，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校生物化学教授Emad Tajkhorshid 说，他是生物物理学博士的领导者。学生Nandan Haloi和Archit Kumar Vasan，以及生物化学研究科学家 Po-Chao Wen。“美国每年有数万人死于无法治愈的细菌感染，而世界其他地区的问题更严重。”

Tajkhorshid 说，这些感染中的大多数可归因于革兰氏阴性细菌，它们具有许多抗生素无法穿透的坚硬外细胞膜。2017 年，伊利诺伊大学化学教授兼当前研究的合著者Paul Hergenrother在《自然》杂志上报道说，他的团队已经确定了一组可以通过革兰氏阴性细菌膜的抗生素化合物的化学规则。使用这一指导，Hergenrother 和他的同事们成功地将仅对革兰氏阳性菌有效的抗生素转化为革兰氏阴性菌的有效杀手，而后者更难治疗。

Tajkhorshid 说，这一发现的一个关键是，如果化学家向它们添加一个带正电荷的基团，例如胺，一些抗生素可以使用特定的膜孔穿透革兰氏阴性细菌的细胞膜。虽然实验证明了这个想法是有效的，但研究人员并没有确切地理解它为什么有效。

为了更好地理解，科学家们必须在微观水平上确定抗生素在通过时如何与细菌孔的不同部分相互作用。跟踪分子相互作用的一种方法涉及使用超级计算机对系统中每个原子的化学特性进行建模，并运行模拟以揭示系统的行为方式。Tajkhorshid 说，这种称为“分子动力学模拟”的技术是计算密集型的，但可能无法完全跟踪复杂系统的分子行为。

为了减少计算负担，Haloi 和 Vasan 开发了一种方法，可以在抗生素通过孔隙蠕动时生成最可能的抗生素途径，然后允许他们的分子动力学模拟来帮助他们计算每个潜在步骤的能量学。他们对连接和不连接胺基的抗生素进行了模拟。

“通过孔隙的每条潜在通路都有与之相关的能量，我们正在寻找能量最有利的通路，”Tajkhorshid 说。

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