新型广谱抗生素paenimicin的发现：靶向多重耐药菌的双重结合机制与零耐药特性

本研究针对多重耐药(MDR)病原体治疗难题，通过合成生物信息学天然产物(synBNP)方法结合肽优化策略，从Paenibacillaceae细菌中发现了新型11-mer depsi-脂肽抗生素paenimicin。该化合物通过独特双重机制（结合革兰阴性菌lipid A磷酸/羟基基团和革兰阳性菌磷壁酸磷酸基团）展现广谱活性，对ESKAPE病原体MIC达2-4μg/mL，且无检测到耐药性。其低肾毒性（较colistin降低>90%）和优异药代动力学特性（半衰期20.2h）为临床治疗MDR感染提供了新选择。

　　

抗生素耐药性危机正以前所未有的速度威胁全球公共卫生安全。世界卫生组织(WHO)数据显示，仅2021年耐药菌就导致114万人死亡，而临床应对手段却日益匮乏——过去30年仅有2类新型抗生素问世，且多数现有药物对"超级细菌"ESKAPE（包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA、耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌CRAB等）束手无策。更严峻的是，被视为"最后防线"的多粘菌素(colistin)也因mcr-1等耐药基因的传播逐渐失效，其严重肾毒性更限制临床应用。面对这一困局，中国药科大学的研究团队将目光投向自然界最丰富的抗菌资源库之一——类芽孢杆菌科(Paenibacillaceae)细菌，通过创新方法开发出突破性抗生素，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用合成生物信息学天然产物(synBNP)技术结合结构优化策略。首先对1245个类芽孢杆菌科基因组进行生物信息学分析，通过antiSMASH预测非核糖体肽合成酶(NRPS)基因簇；随后采用固相肽合成(SPPS)制备74种预测肽；经活性筛选获得先导化合物BNP37后，通过Dab残基替换等优化得到最终产物paenimicin；通过等温滴定量热法(ITC)、分子动力学(MD)模拟和系列动物模型验证其机制与疗效。

BNP37肽家族的发现与优化

通过分析17037个生物合成基因簇(BGC)，锁定45个NRPS簇。从Paenibacillus caseinilyticus GW78的pae基因簇（含3个NRPS基因）预测出含5个蛋白源性和6个非蛋白源性氨基酸的11肽结构。实验发现线性肽BNP37L虽活性最强（MIC 2-4μg/mL）但血清结合率高，而环化变体BNP37C2在保持活性（MIC 2-8μg/mL）的同时降低血清吸附。通过系统修饰，将第9位D-Tyr替换为D-Dab后获得优化产物paenimicin——含5个带正电的2,4-二氨基丁酸(Dab)残基，通过Thr₂羟基与C端Asp形成酯键环化，N端连接肉豆蔻酸。

广谱抗菌活性

对31株临床分离株测试显示，paenimicin对革兰阴性菌（包括携带mcr-1的colistin耐药株）和革兰阳性菌（如MRSA）MIC均为2-4μg/mL，且对真菌无效（MIC>64μg/mL）。值得注意的是，其对colistin耐药机制（如EptA介导的lipid A修饰）完全规避，对CRAB、耐三代头孢菌素的肠杆菌等WHO重点病原体均有效。

双重作用机制

通过突变筛选（连续传代30天无耐药性）和竞争实验发现：

1. 革兰阴性菌中，结合lipid A的1-磷酸基团（K_d=2.18±0.82μM）和4'-羟基（MD模拟显示形成氢键），此结合模式与colistin仅靶向磷酸基团不同；

2. 革兰阳性菌中，与磷壁酸（LTA K_d=5.61±3.53μM）和肽聚糖的磷酸基团相互作用。这种双靶点特性通过破坏细胞膜完整性（钾离子泄漏实验证实）实现快速杀菌（4小时内完全灭菌）。

体内外疗效与安全性

在三种动物模型中：

• 中性粒细胞减少大腿感染模型：20 mg/kg剂量使CRAB负荷降低2.40 log₁₀，对colistin耐药大肠杆菌降低3.42 log₁₀；

• 阴道感染模型：对淋球菌（天然colistin耐药）负荷减少2.83 log₁₀；

• 皮肤感染模型：对MRSA疗效与万古霉素相当（降低5.90 log₁₀）。

  药代动力学显示皮下给药生物利用度达102%，半衰期20.2小时（colistin的10倍）。关键的是，40 mg/kg连续给药7天未引发肾损伤标志物（KIM-1、LCN-2等）升高，而colistin组全部指标异常。

这项研究通过创新方法突破了"不可培养"微生物资源的开发瓶颈，首次报道了同时靶向革兰阴阳性菌关键细胞壁成分的抗生素。paenimicin的零耐药特性、广谱活性和低毒性，为应对MDR危机提供了全新解决方案，尤其对colistin耐药菌感染具有重大临床价值。其独特的酯键环化结构虽带来合成挑战（产率约15%），但为后续抗生素设计提供了新范式。随着更多类芽孢杆菌科基因组的解析，该方法有望发现更多突破性抗菌药物。