在人類與致病菌的抗爭中，抗生素是人類的重要武器，但道高一尺魔高一丈，隨著細菌抗性的出現，抗生素也面臨著失靈的窘境，特別是革蘭氏陰性菌（例如大腸桿菌、銅綠假單胞菌）這種難對付的病菌。革蘭氏陰性菌有兩層細胞膜，最外層覆蓋的脂多糖對大多數小分子來說都難以跨越。另外，就算小分子進入細胞內部，也會被細菌的外排泵（efflux pump）感知並排出細胞外。在美國最近一次對革蘭氏陰性菌有用的新藥獲批上市，還要追溯到 1968 年的喹諾酮類抗生素，幾乎半個世紀過去了，各大小藥廠一無所獲。並不是人類不努力，而是革蘭氏陰性菌太狡猾，2007 年製藥巨頭 GSK 篩選了 50 萬種化合物，最終也沒有找到一種能對抗大腸桿菌的新藥。
如何在革蘭氏陰性菌中使得藥物的進入速度大於被排出的速度，使得藥物能累積到有效濃度，來自美國伊利諾伊大學的 Paul J. Hergenrother 等人給出了新的策略。他們研究了超過 180 種能進入並在大腸桿菌中累積的不同藥物，發現胺類、兩親性且剛性、結構球形度低的分子更容易留在大腸桿菌中。用這種策略他們對一種原本只作用於革蘭氏陽性菌的天然產物——脫氧尼博黴素（Deoxynybomycin，DNM）進行了改造，得到的新化合物活性大變，可以抑制多藥耐藥的革蘭氏陰性病菌。這一激動人心的成果發表在了 Nature 上。
Paul Hergenrother 教授（前排）研究團隊。圖片來源：University of Illinois
大部分抗生素都是天然產物或其衍生物，考慮到結構複雜性和多樣性，作者選取了 100 個代表性的化合物，從分子結構、分子量、ClogD7.4 和電荷進行分析它們在大腸桿菌 E. coli MG1655 中的累積能力，雖有研究發現化合物的累積程度和 ClogD7.4 相關，但從圖 1 可以看出，結論與之大相逕庭。在這 100 個化合物中，電荷是首要因素，帶正電荷的化合物最易累積（12/41）。相比之下中性化合物（0/39）和帶負電荷化合物（0/20）沒有一個能在大腸桿菌中累積，即使是羧酸（ClogD7.4 < -5）也沒有累積。這 12 個化合物都是胺類化合物，其中 8 個是伯胺。將氨基轉變為羧酸、醯胺、酯、氰基、疊氮、醇，都削弱了累積能力，甚至連胺上有取代基都不行。
圖 1. 不同電荷化合物在 E.Coli 中的累積能力。圖片來源：Nature
作者隨後的研究對象是 68 種不同結構的伯胺化合物。雖有 36 個伯胺化合物具有累積能力，但也沒有充分的理由認為伯胺就是關鍵因素，畢竟還有 32 個伯胺化合物沒有表現出在大腸桿菌中累積。將這些化合物的化學信息進一步歸類分析，作者發現分子的柔性（用可旋轉的化學鍵來表徵）和形狀（用球形度來表徵）是能否累積的關鍵因素。球形度是個相對的參數，如純平面的苯球形度為 0，而球形的金剛烷球形度為 1。如圖 2 所示，化合物具有相似的官能團時比較累積能力，剛性結構（化合物 16 只有 4 個可旋轉鍵）大於柔性結構（化合物 17 有 13 個可旋轉鍵），而低球形度化合物（化合物 18 為 0.14）大於高球形度化合物（化合物 19 為 0.49）。最終作者得出結論，剛性（不多於 5 個可旋轉鍵）且球形度不高於 0.25 的伯胺化合物，具有更高的在大腸桿菌中累積的可能性。
圖 2. 相似官能團化合物的累積能力。圖片來源：Nature
根據這個原則，作者將目光瞄向了脫氧尼博黴素 DNM，它是一種強效抑制革蘭氏陽性菌的天然產物分子，對革蘭氏陰性菌沒有活性。DNM 的結構同時兼有兩個關鍵參數：剛性和較低的球形度，它沒有可旋轉的化學鍵，球形度僅為 0.02。作者設想如果在合適的部位引入氨基，就有可能將其改造為對付革蘭氏陰性菌的大殺器。首先試驗的是伯胺衍生物和擴環衍生物，將原來的 5 元環擴展為 6 元環，得到 6DNM。沒有伯胺基團的 6DNM 對革蘭氏陽性的金黃色釀膿葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的活性為 MIC = 0.06–1 μg/ml，但它對大腸桿菌沒有活性（MIC > 32 μg/ml），累積能力很弱。引入氨基後的 6DNM-NH3 不僅保持著對金黃色釀膿葡萄球菌的活性（MIC = 0.03-0.5 μg/ml），還獲得了對大腸桿菌 E. coli MG1655 的活性（MIC = 0.5 μg/ml），累積能力也大大提高。如果氨基被乙醯化或者被羧酸基團替代，抗大腸桿菌活性以及累積能力也隨之消失。
圖 3. 6DNM 和 6DNM-NH3 的結構和活性。圖片來源：Nature
進一步的實驗表明，6DNM-NH3 並且對常見的革蘭氏陰性病菌都表現出了很好的抑制活性，ESKAPE（E. coli, Acinetobacter baumannii, Klebsiella pneumoniae, Enterobacter cloacae, Pseudomonas aeruginosa）中也僅僅對 P. aeruginosa 無效。更驚人的還在後面，對於一株多藥耐藥的大腸桿菌（ATCC BAA-2469），第三代喹諾酮類抗生素環丙沙星（ciprofloxacin）無可奈何（MIC > 64 μg/ml），而 6DNM-NH3 可以輕易殺滅（MIC = 4 μg/ml）。
作者還研究了 6DNM-NH3 在大腸桿菌中累積的原因，6DNM-NH3 的伯胺基團與細菌膜上孔蛋白（porin）的一個關鍵天冬氨酸殘基的相互作用是其中的關鍵。
圖 4. 伯胺基團存在（a/b）與不存在（c/d）的差別，圖中紫色為孔蛋白關鍵天冬氨酸殘基 Asp113。圖片來源：Nature
——小結——
能抑制革蘭氏陰性菌的抗生素一直是科學家苦苦探索的目標，Hergenrother 教授團隊的這項研究為設計或改造抗生素提供了新的策略，化合物的電荷、剛性和分子形狀都會影響其在革蘭氏陰性菌中的累積及生物活性。運用這一策略，不僅能夠將只對革蘭氏陽性菌有活性的化合物修飾為廣譜抗生素，如 6DNM-NH3，同時，還能指導新化合物的設計。這一成果對於人類對抗革蘭氏陰性菌有著重要的意義。