不需要结构孔道：抗菌肽通过瞬时形成的水通道诱导脂质膜的离子通透性

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Structural pores not required: Antimicrobial peptides induce ion permeabilization of lipid membranes through transient water channels

抗菌肽（AMPs）通过诱导脂质翻转形成瞬态水通道，导致离子渗透和膜电导率变化，从而破坏细菌细胞膜。实验结合同步辐射X射线散射（TR-SAXS）和分子动力学模拟，证实AMPs仅 peripheral 结合于膜外层，不形成跨膜孔道，但通过促进脂质 flip-flop 快速形成短暂水通道，实现高效离子传输。研究揭示了AMPs作用的新机制，为设计抗耐药性抗生素提供依据。

　　抗菌肽（AMPs）是自然界中广泛存在的一种高效抗生素，它们在几乎所有的生物体的先天免疫系统中扮演重要角色。尽管AMPs种类繁多，具有不同的组成、大小和电荷密度，但它们普遍具有阳离子性和两亲性，显示出强大的广谱抗菌活性。此外，AMPs还具有较低的耐药性，即使在长期与细菌共存的进化过程中，依然保持其抗菌效力。这些特性使得AMPs成为对抗抗生素耐药性的重要研究对象，同时也在临床应用中展现出巨大的潜力。

然而，AMPs的作用机制长期以来存在争议。传统观点认为，AMPs通过在细菌细胞膜上形成结构性的孔道来实现抗菌效果。这种孔道会破坏膜的完整性，从而导致细胞内容物泄漏，最终导致细菌死亡。然而，这种模型并不能完全解释AMPs的作用过程，特别是它们如何在不形成稳定孔道的情况下依然保持高效的抗菌活性。最近的研究表明，AMPs的作用机制可能更加复杂，涉及多种不同的分子机制，包括膜结构扰动、离子通透性增加以及膜电位变化等。

在本研究中，我们通过结合X射线和中子散射技术，以及全原子分子动力学模拟，发现AMPs并不一定需要穿透膜结构，而是通过促进脂质翻转，形成短暂的水通道，从而实现离子通透性。这一机制导致膜电位的改变，进而引发细菌细胞死亡。这种作用方式不同于传统的抗生素，它们通常通过抑制细菌的代谢途径或破坏特定酶来发挥作用。因此，AMPs的作用机制可能是更直接的物理扰动，而非化学破坏。

我们的研究结果表明，AMPs的作用并不依赖于形成稳定的结构孔道，而是通过改变膜的物理性质，如膜厚度、膜结构和膜电位，来实现抗菌效果。这种机制的发现，为理解AMPs的作用提供了新的视角，同时也挑战了传统的观点。我们发现，许多AMPs在生理相关浓度下仅与膜外层结合，而不会穿透膜结构。这种外层结合模式在实验中被多次验证，包括静态小角X射线散射（SAXS）和时间分辨SAXS（TR-SAXS）技术，以及中子散射（SANS）实验。这些实验结果显示，AMPs并不直接形成结构性的孔道，而是通过促进脂质翻转，导致膜上形成短暂的水通道。

在时间分辨SAXS实验中，我们能够直接追踪AMPs诱导的离子通透性。实验中，将含AMPs的脂质囊泡与高浓度的盐溶液混合，通过X射线散射强度的变化，可以确定囊泡内部的盐浓度。实验结果显示，AMPs诱导的离子通透性非常迅速，仅需几十毫秒即可实现盐浓度的平衡。这一结果与传统的孔道模型不符，因为孔道模型通常需要更长的时间才能实现离子的运输。此外，AMPs的外层结合模式在实验中被证实，与之前的研究结果一致，表明它们并不穿透膜结构。

为了进一步验证这一机制，我们还使用了分子动力学模拟，分析AMPs如何促进脂质翻转，从而形成水通道。模拟结果显示，AMPs能够显著加速脂质的翻转过程，导致膜上形成短暂的水通道。这些通道能够允许离子通过，从而导致膜电位的改变。这种机制与传统的孔道模型不同，因为它并不依赖于形成稳定的结构孔道，而是依赖于脂质翻转的动态过程。因此，AMPs的作用机制可能是通过脂质翻转引发的动态变化，而非结构性的孔道形成。

此外，我们还发现，AMPs的作用效率与它们的浓度有关。在高浓度下，AMPs能够更快地促进脂质翻转，从而形成更多的水通道。然而，这种作用并不总是需要高浓度，即使在较低浓度下，AMPs也能实现一定的抗菌效果。这表明，AMPs的作用机制可能具有一定的灵活性，能够适应不同的环境条件。

综上所述，AMPs的作用机制可能不仅仅是通过形成结构性的孔道，而是通过促进脂质翻转，形成短暂的水通道，从而实现离子通透性。这种机制能够解释AMPs的高效抗菌活性，同时也为AMPs在抗菌药物设计中的应用提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨这种机制的细节，以及AMPs如何在不同类型的细菌膜上发挥作用。这些研究不仅有助于理解AMPs的作用机制，还可能为开发新的抗菌药物提供理论依据和实验支持。