2月25日，一篇關于這項新研究的論文在線發表在《自然》雜志上。該論文的第一作者是Yancheng Evelyn Li，她是加州理工學院生物化學系Arthur和Marian Hanisch紀念教授Bil Clemons實驗室的研究生，Bil Clemons教授是該論文的通訊作者。 

Clemons說：“進化是強大的，細菌對抗生素的耐藥性發展迅速。這意味著我們現在要面對的是對所有現有藥物都具有耐藥性的細菌。僅在美國，每年就有數萬人死于耐藥菌感染，而且這個數字還在迅速上升。我們需要新的抗生素來對抗這種情況。” 

科學家們長期以來一直對合成肽聚糖的細胞通路（即肽聚糖生物合成通路）很感興趣，并將其視為抗菌靶點。“肽聚糖是細菌特有的物質，這使其成為極具吸引力的抗生素靶點，”Clemons說道。 

肽聚糖生物合成途徑的許多細節已被闡明，并被用作抗生素的靶點。第一種藥物是抗生素青霉素，由亞歷山大·弗萊明在上世紀中葉發現。青霉素及其衍生物，例如阿莫西林，靶向該途徑的后期步驟以殺死細菌。 

在細菌中，三種關鍵蛋白質——MraY、MurG 和 MurJ——負責將肽聚糖的組成單元從細胞內部轉移到細胞內膜。如果這三種蛋白質中的任何一種出現功能障礙，肽聚糖就無法合成，細菌就會死亡，這使得細菌成為抗生素研發的理想靶點。科學家們對這些蛋白質已經了解頗多，但正如克萊蒙斯所指出的，許多基本的機制問題仍然懸而未決。 

抑制這些蛋白質的益處顯而易見，但目前尚無針對它們的藥物。不過，Clemons表示：“我們知道，我們可以找到一些小分子，無論是源自天然的還是在化學庫中合成的，它們都能抑制這些蛋白質。令人興奮的是，最近的研究表明，噬菌體已經找到了靶向這一通路的方法。” 

噬菌體，也稱為噬菌體，是一種以細菌為宿主的病毒。它們的生存取決于能否進入細菌細胞，復制自身，然后離開細胞盡可能廣泛地傳播。“要離開細菌，它們必須穿過肽聚糖層。肽聚糖層就像鎖子甲一樣，如果噬菌體無法突破，就會被困住。”

實驗室已將部分研究重點轉向單鏈DNA和RNA噬菌體，這類噬菌體基因組小，只需簡單的方法即可殺死細菌。2023年，該實驗室在《科學》雜志上發表了一篇關于其中一種噬菌體φX174的論文，這種噬菌體在加州理工學院有著悠久的研究歷史。 

這些小型噬菌體用來殺死細菌的武器是被稱為單基因裂解蛋白（Sgls，發音類似“sigils”）的蛋白質抗生素。最近，Li和Clemons將研究重點放在靶向MurJ的Sgls上，以期發現新的抗生素。MurJ是一種翻轉酶，它能將肽聚糖的組成單元“翻轉”到細胞膜另一側，使其能夠用于構建肽聚糖鏈。此前，合作者已經證明，兩種Sgls——SglM和SglPP7，它們彼此無關，分別由兩種不同的噬菌體產生——都能通過抑制MurJ來殺死細菌。

最新的研究中，Li利用加州理工學院貝克曼研究所生物和低溫透射電子顯微鏡（Cryo-EM）資源中心，揭示了這兩種Sgl蛋白如何抑制MurJ的翻轉活性。翻轉酶（如MurJ）的工作原理是通過交替改變其運輸分子在細胞膜兩側的進出通道，而無需在細胞膜上形成開口。對于MurJ而言，細胞內肽聚糖前體的結合會觸發一種結構變化，從而有效地將該分子轉移到細胞外。李發現，這兩種Sgl蛋白都與翻轉酶上的一個凹槽結合，阻止了該蛋白發生這些結構變化。  

“很明顯，這兩種Sgl蛋白都以向外開放的構象與MurJ結合，并將其鎖定在該位置，”Li說道。這令研究人員感到興奮，因為MurJ的向外開放構象使其更容易接觸周圍環境。理論上，與向內開放的構象相比，這種構象更容易被抗生素靶向。 

Clemons表示，這一發現令人震驚還有另一個原因。“這些肽彼此之間沒有任何進化聯系，卻都以非常相似的方式靶向了MurJ。這是趨同進化的兩個例子，不同的進化路徑最終殊途同歸。我們感到非常驚訝！” 

研究人員補充說，由于病毒進化迅速，可能存在無窮無盡的噬菌體，它們都含有Sgl蛋白。由于噬菌體易于獲取，挖掘這些病毒基因組可以帶來新的生物學發現和新的抗生素靶點。在《自然》雜志上發表的論文中，科學家們正是利用一種新的噬菌體開展了這項研究。他們與一位合作者共同鑒定出一種新的Sgl蛋白，命名為SglCJ3（源自一個被預測為噬菌體且名為長江3的基因組序列），并對其進行了冷凍電鏡分析。李教授解析了SglCJ3與MurJ結合的結構，發現它也以與MurJ相同的向外構象結合。 

Clemons說：“這是第三個進化出獨特肽段，以類似方式抑制同一靶點的基因組。這是首個強有力的證據，表明進化將MurJ識別為殺死細菌的理想靶點，這意味著我們應該順應進化的指引，開發靶向MurJ的療法。這展現了基礎生物學在幫助我們解決醫學難題方面的強大力量。我們致力于利用Sgl的發現，并希望繼續獲得支持，將這些概念轉化為現實。”