抗菌肽与传统抗生素相比，展现出独特的杀菌机制，即直接物理破坏细菌的细胞膜。这一机制赋予了抗菌肽广谱且高效的杀菌能力，包括对耐药细菌的有效杀伤；同时相较于传统抗生素，它们不易诱发细菌的耐药性，因此在对抗耐药细菌方面显示出巨大的潜力。然而，抗菌肽对哺乳动物细胞具有较强的毒副作用，目前临床应用主要局限于局部给药，例如用于皮肤、鼻腔和口腔等。因此，提高抗菌肽的细菌选择性并降低对正常组织细胞的毒性，是新型抗菌肽研发中的关键问题。

在传统观念中，抗菌肽主要通过无明确靶点的非特异性电荷和疏水相互作用机制来破坏细菌细胞膜，从而发挥抗菌作用。抗菌肽通常具有由阳离子和疏水氨基酸组成的正电两亲性结构，首先通过静电相互作用结合到带强负电的细菌细胞膜表面，随后其疏水结构通过疏水相互作用插入磷脂双分子层，破坏细菌细胞膜的完整性，杀伤细菌。基于这一机制，研究人员专注于调节抗菌肽的两亲性结构，增强与细菌细胞膜的电荷和疏水相互作用，同时尽量减少与哺乳动物细胞膜的相互作用，从而提高细菌选择性。然而，哺乳动物细胞膜中也含有一定比例的负电性磷脂，主要为磷脂酰丝氨酸（PS，约占15%），与抗菌肽可发生较强的电荷相互作用；且哺乳动物细胞膜磷脂双分子层的疏水尾链区同样也会与抗菌肽的疏水区域发生强的疏水相互作用。因此，在基于传统非特异性静电和疏水相互作用的抗菌模式下，如何避免抗菌肽对哺乳动物细胞的潜在毒性是极大挑战。

相比于哺乳动物细胞膜，细菌细胞膜存在特异性磷脂-磷脂酰甘油PG，为新型抗菌肽开发提供了潜在靶点，但如何区分PG和哺乳动物细胞主要负电性磷脂-磷脂酰丝氨酸PS是关键挑战。除了哺乳动物细胞膜和细菌细胞膜都含有的两性磷脂酰乙醇胺（PE）外，细菌细胞膜还含有大量阴离子磷脂PG，而哺乳动物细胞质膜则含有两性磷脂酰胆碱（PC）、鞘磷脂（SM）以及阴离子磷脂PS。其中，PG在增强膜稳定性、调节磷脂的脂质堆积和酰基链排列以及调节膜渗透性方面起着关键作用。因此，细菌特异性磷脂PG有望成为抗菌药物设计的目标。然而，如何将PG与具有相同净电荷的哺乳动物磷脂PS区分开来是其中的一大挑战。

近期，华南理工大学生物医学科学与工程学院、国家人体组织功能重建工程技术研究中心熊梦华教授团队，与中国科学技术大学肖石燕副教授、中山大学孙逸仙纪念医院鲍燕研究员、松山湖材料实验室元冰研究员及华南理工大学软物质科学与技术高等研究院董学会教授合作，在《Science Advances》杂志发表了一题为“Helicity-directed recognition of bacterial phospholipid via radially amphiphilic antimicrobial peptides”的研究论文。该论文报道了一类放射状两亲性抗菌聚肽，能高选择性地识别细菌磷脂PG，并证明了螺旋结构在抗菌聚肽识别细菌磷脂中起了关键作用，为开发具有高度细菌选择性的抗菌肽引入了靶向细菌特异性磷脂的模式。

作者报告了一类能够识别细菌磷脂PG的径向两亲性抗菌聚肽（radially amphiphilic antimicrobial polypeptides, RAPs）。作者构建了一系列侧基具有不同季铵基团修饰的RAPs，并通过等温滴定量热仪（ITC）评估发现，RAPs能够选择性区分PG与哺乳动物膜中主要的阴离子磷脂PS以及中性磷脂（PC、PE和SM）。根据小角X射线散射（SAXS）、冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）和单分子荧光成像，作者发现最好选择性的聚肽L10-MMBen能够引导PG囊泡重排，形成层状结构，其中聚肽的螺旋轴与PG层表面平行。作者进一步揭示了螺旋结构对于L10-MMBen识别PG至关重要，并且根据粗粒化分子动力学模拟，作者发现螺旋结构为L10-MMBen/PG组装提供了热力学和动力学优势。

此外，作者发现疏水区域的隐藏是RAPs选择性识别PG的关键因素。RAPs具有独特的径向两亲性α螺旋结构，其疏水的螺旋核心在所有径向方向都被亲水的阳离子侧链包围（PNAS 2015;112(43):13155-60）。作者发现，在聚肽端基增加“暴露”的疏水烷基链会显著降低聚肽对PG和PS的选择性，而将聚肽侧基季胺和主链距离增加一个碳原子的距离，则可使磷脂的选择性增加到约30倍。而天然的螺旋结构抗菌肽通常具有面向两亲性结构（facially amphiphilic structures），阳离子和疏水氨基酸侧链分别分布在螺旋结构的相对面上，天然面向两亲性结构的抗菌肽LL-37、Melittin不能有效区分PG和PS。

选择性PG识别赋予了RAPs抗菌聚肽对细菌的高度选择性。在具有相同的化学组成、净电荷和疏水性的情况下，L10-MMBen和选择性识别PG的无序DL10-MMBen相比，抗菌活性和选择性都高超过1000。L10-MMBen在体内显示出低毒性，并显著减少了膀胱感染模型中膀胱内的细菌负荷。此外，在盲肠结扎穿刺诱导的多微生物脓毒症模型中，L10-MMBen同样显著提高了小鼠的存活率。

该研究报道了一类选择性识别细菌磷脂PG的抗菌聚肽，阐明了径向两亲性抗菌聚肽识别磷脂PG的结构规律及机制，为抗菌肽及抗菌药物的开发提供了细菌特异性磷脂识别的新范式。华南理工大学梁阳彬博士、张玉豪，和中国科学技术大学黄渝、松山湖材料实验室徐成博士为论文的共同第一作者。华南理工大学熊梦华教授、中国科学技术大学肖石燕副教授和中山大学孙逸仙纪念医院鲍燕研究员为本文共同通讯作者。团队其他成员及合作者也为本研究做出了重要贡献。该研究受到国家重点研发项目、国家自然科学基金（区域联合重点项目、面上项目等）、以及广东省自然科学基金等项目资助。

参考文献：

Yangbin Liang et al., Helicity-directed recognition of bacterial phospholipid via radially amphiphilic antimicrobial peptides. Sci. Adv. 10, eadn9435 (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn9435

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn9435