互动科普

在新近火爆推出的影片《卧虎藏龙》中，两位侠客在一座紧密的小院内面对面拼斗。小院的墙上挂满了各色各样的古怪兵器，诸如铁棍、刀、矛和剑等等。那位年纪较大、阅历丰富的老侠客顺手从墙上抓过一件又一件的兵器，凶猛而熟练地挥舞着直取对方。但结果这些兵器全都不中用，一件又一件的兵器接二连三地不是折断就是被扔到一边。这些早已过时的破烂玩意哪里敌得过他的对手——一位年纪轻轻、意气风发的武林新秀，他不仅早已熟谙了各种老招式，而且还练就了一些新功夫。

作为现代医疗手段基石之一的抗生素如今也遇到了类似的不敌对手的局面。医疗保健工作者们发现抗生素失效的事例与日俱增；他们拥有的150 多种抗生素药物可谓阵容强大，但几乎每一件武器都已开始失效。那些在抗生素的攻击下得以死里逃生的细菌从敌手那里吸取了经验，全面提升了自己的抵抗能力。那些未曾遭遇到抗生素的细菌则向已经同抗生素打过交道的细菌讨教也学会了对付抗生素的功夫。其结果就是耐抗生素菌株的队伍滚雪球般迅速壮大起来。许多感染（包括结核病、脑膜炎、肺炎等）曾经用抗生素就可轻易制服，但现在再也不容易迅速治好了。越来越多的通过细菌感染的疾病已成了致命的疾病。

细菌的确是群诡计多端的家伙，但即使如此它们也少不了人类的配合——正是我们自己为细菌拱手奉送了（而且还在继续奉送）它们为练就一身非凡功夫所必需的东西。我们对抗生素使用不当或滥用的情况已成家常便饭，从而有助于培养出细菌中的顶尖高手。患者常常随意延长使用抗生素的疗程。此外我们也常用抗生素来治疗病毒感染或其它一些抗生素完全无用武之地的感染——事实上研究人员估计，所有的抗生素处方中有三分之一到一半是没有必要的。据我们统计，美国每年生产的抗生素大约有70%用在家畜身上。我们还把抗生素加进洗碗水和香皂中。所有这些做法对于细菌来说起到了去弱留强的效果——体弱的细菌一命归西，而强壮的细菌则更加强壮（参看本刊1998年6 期《抗生素抗性问题》一文）。

但即使社会和医疗部门不曾这样严重地滥用抗生素药物，任何一种抗生素最终落伍的命运也是不可避免的。细菌生长极其迅速，一天就能经历多次细胞分裂；即使抗生素用得完全正确，细菌也总能学到一些新本领，部分最强壮的细菌总能侥幸脱身并更加猖狂起来。因此我们自己也必须变得更狡猾才行。

过去10年中，人们收敛起了自以为已经彻底打垮了细菌而长期洋洋自得的那种骄傲情绪，转而在大学、政府和工业实验室中大大加强了抗菌研究的力度。世界各地的科学家们正陆续找到一些富有想象力的策略来对付细菌，新的抗生素正在基组研究和蛋白研究提供的大量信息的基础上源源开发出来，尽管它们的寿命将比较有限。这一激动人心的研究与药物开发成果并非一劳永逸的万应灵药。但是，有了这些成果在手，再辅之以谨慎地使用抗生素，战胜细菌的希望便可大增。事实上，2000年4月，美国食品与药物管理局 （FDA）批准 了35年来的第一种临床抗生素新药（1inezolid），其它几种药物也已经进入新药审批程序。 

拆掉细胞壁

至今为止开发出的抗生素几乎全部来自自然界。科学家们鉴定出这些抗生素并对其作了改进，但肯定不能说是“发明”了抗生素。自从生命在地球上诞生以来，各种生物就一直在互相争夺有限的资源。资源之战推动了抗生素的进化。如果一种生物（比如说真菌、植物或甚至另一种细菌）有能力产生这类威力强大的化合物，那么相对于那些易受抗生素攻击的细菌而言它们显然就占了上风。这一选择压力就是推动自然界抗生素不断发展的动力。

1928年，青霉素的发现首次为我们打开了一扇观察生物军备竞赛的窗口。伦敦大学圣玛丽医院医学院的Alexander Fleming注意到，一种名为“特异青霉”的霉菌能够杀死在皮氏培养基内的琼脂中生长的邻近葡萄球菌。抗生素这一领域就这样诞生了。后来的研究人员随机地测试各种化合物（例如其它霉菌）以观察它们是否能够杀死细菌或延缓细菌的生长，由此而鉴定出了一批又一批抗生素。

这些抗生素中最成功者之一是万古霉素，它由Eli Lilly公司在l956年首次鉴定出来。了解万古霉素如何发挥其作用（这项工作花了整整30年时间才大功告成）使我们得以深入认识一大类名为“糖多肽”的抗生素的机能（糖多肽是七大类抗生素之一）。这种认识的重要性现在正日益显现出来，因为万古霉素已经成了抗生素武器库中的最后一招，即仅存的唯一一种对金黄色葡萄球菌还有效的药物。（金黄色葡萄球菌是所有在医院发生的感染中最致命的一种，它对新青霉素I有耐药性。）但现在万古霉素的威力本身也处于危险的境地，正如本文开头提到的那位见多识广的武林高手的招数被对方轻易化解一样。

万古霉素以细菌的细胞壁为目标来发挥其作用。（细胞壁环绕整个细胞及细胞膜，使细胞具有结构并支撑着细胞。）由于人类和其它哺乳动物的细胞没有这样一种细胞壁（它们的细胞是靠一种名为“细胞骨架”（cytoskoleton的内部结构支撑着），因此万古霉素及其相关药物对人和哺乳动物不构成危害。细菌的细胞壁主要由肽聚糖构成。肽聚糖这种物质含有肽和糖，而它的名称也正是因此而来。细胞组装肽聚糖时（这是一个不断进行着的过程，因为原有的肽聚糖分解后需要有新的肽聚糖来替换），糖单元便由转糖苷酶连接起来，形成结构核心。沿着这一结构核心，每隔一个糖单位便有一段短的肽链。每段肽链由5个氨基酸构成，其中最后3个氨基酸有一个是左旋赖氨酸 （L—lysine），两个是右旋丙氨酸。然后转肽酶把这些肽链互相连接起来，除掉最后一个右旋丙氨酸，而把倒数第二个右旋丙氨酸连在另一个糖链的左旋赖氨酸上。其结果是糖链被它们的肽链编织在一起。 所有这些连接和互联过程最终产生出一层严密地编织起来的物质，它对于细胞的生存是必不可少的：没有这样一层东西，细胞就会因为其自身的内部压力而爆裂。

万古霉素打乱了这层至关重要的物质的形成过程。这种抗生素正好可以天衣无缝地结合到肽链上，使肽链无法通过转肽酶彼此连接起来。万古霉素结合到肽链末端的右旋丙氨酸上，使转肽酶无法正常地发挥功能。没有这样一种密实的交联连接，肽聚糖就会像一块编织得很差的织物那样不堪一击。细胞壁将会裂开，使细胞很快死去。

制服耐药性

万古霉素与肽链末端能够完美地结合在一起是其成功地发挥抗生素作用的关键所在。遗憾的是，万古霉素与肽链的连接也是细菌一方打造出耐药性的关键所在。1998年，耐万古霉素的金黄色葡萄球菌在3个地方冒了出来。医生和医院工作人员越来越担心这些耐药菌株会扩散开来，从而使得他们对致命的葡萄球菌感染束手无策，一筹莫展。

深入了解耐药性将使我们有可能找到制服耐药性的方法，因此科学家们集中力量研究了另外一种细菌：耐万古霉素肠球菌（VRE）。早在20世纪80年代后期，科学家们就已经知道它能够对抗威力强大的万古霉素。大多数肠球菌在与万古霉素遭遇时，万古霉素都可以施展出自己最拿手的招数束对付它们，也就是结合到肽链末端的两个右旋丙氨酸上。在分子水平上这种结合涉及到5个氢键，可以把它们想像为紧紧捏住一个球的5根手指。然而在VRE中，肽链却与其它肠球菌稍有不同。发生改变的是VRE肽链末端的右旋丙氨酸，而造成其变化的只是一个简单的取代：由一个氮原子与一个氧原子结合而形成的一对原子被一个氧原子所代替。在分子一级上，这一取代意味着万古霉素只能借助于4个氢键结合到肽链末端。正是少了这一个氢键而使得整个局面完全改观。由于现在只剩下4个氢键来抓住万古霉素，后者便无法牢固地附着在肽链上，酶不费多大力气就把它撬开了，使肽链得以互相连接起来，于是一道紧密编织的肽聚糖层又再次得以形成了。一个原子取代使万古霉素的威力足足下降了1000倍。

研究人员转而考察其它一些糖肽类抗生素，看看是否能在某抗生素中发现一种有效的招数，然后让霉素运用它来对付VRE。果然，一部分糖肽类抗生素拥有的长疏水链（即油性链）被证明大有用武之地。这些链倾向于被其它疏水分子所包围，其中也包括构成细胞膜的分子（细胞膜就藏在起保护作用的肽糖屏蔽层的后面）。Eli Lilly公司的研究人员受到这一现象的启发，于是把疏水链也加在万古霉素上，做出了一种名为LY333328的模拟药物。这种药物以很高的浓度连接到细胞膜上，因此其附着能力更强，对付肽聚糖的效力也大大提高。这一模拟药物对治疗VRE感染有效，目前正在进行临床试验。其它一些糖肽类抗生素采用了另一种策略，也就是所谓二聚作用。二聚作用就是两个分子互相结合起来形成单个络合物的过程。研究人员设法使万古霉素形成偶合物（即二聚物），从而增强了这种药物的效力。一个万古霉素分子结合到肽聚糖上以后，就把偶合物的另外一半（即另一个万古霉素分子）也拉到来附近。这种策略靠人多势众的招数使万古霉素更有效。我们实验室的目标之一就是设法改造万古霉素使它的分子更容易成对结合。最近我们开发出了一系列二聚的万古霉素分子，它们对付 VRE有奇效。

然而这一令人欢欣鼓舞的消息看来也可能是好景不长。研究人员最近发现了VRE借以挫败万古霉素的又一招数。这一招不是用一个原子去取代肽链末端右旋丙氨酸中的一对原子，而是把一个比右旋丙氨酸大得多的氨基酸分子加在肽链的最末端上。这个氨基酸像一尊分子把门神一样牢牢守住了肽链的门户，使得万古霉素无法接近它的目标。

致命的金黄葡萄球菌获得耐药性的另一途径现在也开始大白于天下。此种细菌使它的肽聚糖层加厚，同时削弱肽片段之间的连接。这样一来当万古霉素结合住肽链末端的右旋丙氨酸上时，它将不起任何作用，因为此时肽聚糖的强度不足依赖于编织，而是依赖于厚度。万古霉素打乱肽聚糖的编织并不能产生任何效果。

前沿领域

万古霉素的故事告诉我们，分子水平上微不足道的变化可能使整个局面完全改观，而细菌总能找到许多狡诈的计策来挫败药物的攻击。显然，我们迫切需要有新的、性能更好的乃至重新改造过的抗生素。发现药物的过程历来是通过全细胞筛选的方法（whole—cell screening）来鉴定出候选药物，也就是把研究人员感兴趣的分子作用于活的细菌细胞。这一方法曾经获得过辉煌的成功，包括万古霉素在内的许多药物就是以这一方法为基础而发现的。此方法的优点在于它简便易行，而且细胞中的每一个可能的药物目标均在筛选之列。但是筛选这样多的目标也存在一个缺点。有多种不同的目标是细菌和人类所共有的，因此针对这些目标的药物将对人类产生毒性。此外研究人员也得不到有关作用机制的任何信息：化学家们只知道某种药物有用，但却不知道它是如何起作用的。而在缺乏这项关键信息的情况下，几乎不可能使一种新药通过道道关卡而进入临床应用。

分子水平上的化验是代替全细胞筛选的一种理想方法。这种形式的筛选只鉴别那些具有特定作用机制的药物。例如，某种这样的筛选法可能专门搜寻能够抑制转肽酶的药物。虽然设计这类化验法是一项难度很大的工作，但它们能够打造出具有已知作用方式的潜在药物。麻烦在于，运用这种方法通常一次只能考察一种酶，如果研究人员能够做到同时考察一个以上的目标（就像在全细胞筛选中所做的那样），但又保留关于药物作用机制的内在知识，那无疑将实现药物发现过程的一次巨大的飞跃。现在科学家们已经设计出了在试管内整合一种细菌的多酶路径的方法，从而完成了这项非凡的任务。使用这种方法，科学家们能够鉴定出具有特殊性质的药物分子，它们或者是强烈地干扰其中一种酶，或者是令人难以捉摸地同时干扰多种酶。

筛选过程的自动化及筛选设备的小型化也大大加快了筛选药物的速率。借助于所谓高通过量机器中的自动控制装置，科学家们每周可以考察数以千计的候选药物。同时，设备的小型化使需要使用的试剂量不断减少，因而有利于降低药物开发过程的成本。新型超高通过量药物筛选系统一天便能审查几十万种候选药物，其成本效益极为良好。与此同时化学家们也不甘落后——他们必须大力开发新型化合物以满足突飞猛进的药物筛选系统对候选药物的需求，组合化学中的种种新技术使化学家们得以完成这项工作。借助于这些方法，化学家能够迅速地设计出一个个庞大的化合物库（参看本刊1997年8期 《组合化学与新药物》一文）。将来这些新药物中的部分药物极有可能出自细菌本身。科学家们在弄清了细菌如何合成抗生素的奥秘之后，便可以通过遗传工程来改造细菌使之产生新的相关分子。

基因组的优势

药物设计与筛选的方法从基因组研究的最新进展中受益极大。借助关于基因以及基因的蛋白质如何合成的信息，遗传学家与化学家得以绕到敌人防线的后方，利用细菌内部的情报来打击细菌。这种微生物情报战已在几条战线上展开，例如破坏极端重要的细菌基因，干扰某种蛋白质的生产以及削弱细菌感染一种有机物的能与产生耐药性的能力等。

研究揭示，抗生素的许多已知的目标其实就是对付非常重要的细菌基因；如果这些基因没有正常地发挥其功能，细胞就会死去。新的遗传技术大大加快了鉴别出这些重要基因的速度。例如，研究人员正在系统地分析酵母菌Saccharomyces cerevisiae的全部基因（大约6000个左右），以确定哪些是最重要的基因。研究人员可以通过实验干扰每一个基因的功能，然后测定这种基因对酵母菌的影响。这项工作最终将详细列出所有的重要基因，并使研究人员得以更深入地认识其它可能成为新抗生素靶子的基因的作用。

重要基因编码的蛋白质并不是抗生素要对付的唯一的分子级目标。编码毒力因子的基因也是很重要的。毒力因子可以压制住宿主的免疫响应，使细菌得以在宿主内站住脚并繁殖起来。过去研究人员很难鉴别出这类基因，因为这些基因是由宿主组织内发生的某些特殊事件所“启动”（即转录）的，这些事件很难在实验室中重现。现在研究人员可以借助体内表达技术（IVET），把一段独特的DNA（即可以使基因失活的一种标记）插入每一个细菌基因中。然后研究人员用加了标记的细菌去感染某个有机体，过一段时间再把细菌回收并对这些标记进行鉴别。如果发现有的标记消失了，那就意味着当初这些标记所插入的基因对于细菌的生存是至关重要的，以致如果不动用这些基因，细菌就无法在宿主内存活下来。

很早以来研究人员就一直期望能鉴别出并设法抑制这些病毒因子，以便让人体的免疫系统趁病原细菌在人体内立足未稳之际就一举打垮它。这一设想看来正在产生出丰硕的成果。在最近的一项研究中，研究人员用一种实验药物压制住了危险的金黄葡萄球菌的一种毒力因子，从而使被这种细菌感染的小鼠得以抗住感染并最终战而胜之。

除了鉴别出重要基因和毒力因子外，研究人员还在忙于寻找那些使细菌对抗生素产生耐药性的基因。把这些基因作为靶子并压制其作用，将使我们有办法让先前已经失效的抗生素东山再起，重新发挥其威力。这种方法可以用在β内酰胺类抗生素上（如青霉素）。细菌对β内酰胺类抗生素产生耐药性，其最常见的机制是细菌分泌出β内酰胺酶，它可以使抗生素的一个化学键断裂，从而改变抗生素的结构，使抗生素无法抑制转肽酶。如果β内酰胺酶被关闭，那么抗生素就仍将发挥其作用。一种β内酰胺酶抑制剂——棒酸——正好就具有这种功能；把它与阿莫西林（羟基氨苄青霉素）混合起来后，得到一种商品名为奥格门汀的新抗生素。

在不久的将来，利用DNA转录特性分析这一领域所取得的进展，鉴别耐药性的决定因素（例如β内酰胺酶）以及毒性因子等分析工作将成为家常便饭。借助这种特性分析，科学家能够鉴别出细胞在不同的生长条件下使用的所有基因。有的细菌基因在细菌感染了宿主之后其表达便会增加，研究人员通过鉴别这类基因就可以确定毒力基因。而对于那些编码耐药性的基因，研究人员只要比较用抗生素处理过的细菌以及未经抗生素处理的细菌的基因表达水平，就可以鉴别出这类基因。此项技术虽然还处于起步阶段，但研究人员巳经用它监测了转录事件数目的微小变化。利用DNA转录特性分析，研究人员还应当能够确定某些药物是否具有全新的作用机制或细胞目标，从而开辟扰生素研究的新领域。

干掉信使

基因组研究的另一条引人注目的战线集中在如何干扰细菌的核糖核酸（RNA）。绝大部分核糖核酸是核蛋白体核糖核酸（rRNA），它构成核糖体——组装蛋白质的细胞工厂的主要结构成分。核蛋白体核糖核酸是一个易受攻击的薄弱环节，因为药物可以结合在它的若干个不同部位上，而且它又缺乏自我修复的本领。l987年，研究人员确定，氨基糖苷类抗生素——其中包括链霉素——能够附着在rRNA上，使核糖体无法正确读出组装蛋白的遗传密码。然而这一类抗生素中有许多是有毒的，没有多大的用处。最近，美国加州的斯克里普斯研究所 的科学家们报导说他们获得了一种新的合成氨基糖苷类二聚物，其毒性可能较小。

研究人员也可以干扰信使核糖核酸（mRNA）。信使核糖核酸的作用是指导蛋白质的组装，并在遗传密码和核糖体之间传递信息。为了产生mRNA，需要读出一股DNA，并借助于把DNA双螺旋结合在一起的那种核酸（碱基对）相互作用。然后 mRNA把它的信息传送给核糖体，而核糖体则通过翻译的过程组装蛋白质。由于每种mRNA编码某一特定蛋白质，并与其它的mRNA截然不同，因此研究人员得以有机会设法打造出较小的有机分子——即非蛋白质的有机分子——和特异的mRNA之问的相互作用。Parke-Davis制药公司的化学家们已经能利用这样一种方法来对付HIV感染。他们鉴别出了能够结合到某 mRNA序列的一部分上，从而阻止它与一种必需的蛋白激活子发生相互作用的分子，这样就能够抑制HIV的复制。这一可行性论证实验将有助于为深入研究如何把mRNA作为药物开发目标铺平道路。

科学家们对另一种名为“反义疗法”（antisense therapy）的策略也一直存在着强烈的兴趣。研究人员可以设法创造出一些能够与某一特定的mRNA序列完美结合的核苷酸序列，这样就等于是给mRNA穿上了一层紧身衣。mRNA无法从药物中挣脱出来，这样它的命运就只能是或者被药物消灭，或者被药物紧紧束缚住而无法施展其招数。美国食品与药物管理局最近批准了用于治疗人细胞巨化病毒感染的第一种反义药物，但是用于治疗细菌感染的反义药物至今还没有取得成功。这种反义药物进展不大有几方面的原因，包括毒性问题没有解决以及难于使足量的药物到达正确的部位等。但这种方法还是大有希望的。

显而易见，所有这些关于基因组的知识使研究人员能够鉴别并评估一系列新的生物目标，而化学家们则可以开发出小小的分子子弹来攻击这些目标。过去一个世纪中开发出的许多抗生素是不能使用的，因为它们会对人造成危害。但是，研究人员只要把潜在目标的遗传顺序与人身上发现的基因相比较，就能够识别出哪些是细菌所独有的基因并把注意力集中到这些基因上。类似地，只要把目标的遗传序列与其它细菌的遗传序列比较，研究人员便能够评估前者所产生的药物的选择性。在所有细菌中都出现的一个目标序列极有可能产生出一种对许多不同的细菌都有效的抗生素，即所谓广谱抗生素。相反，只出现在少数几种细菌基因组中的一个目标序列则将产生出窄谱抗生素。

如果医生能够及早识别是哪种菌株引起感染的，他们的处方就可以采用一种适当的窄谱抗生素，从而大大提高处方的针对性。由于这种抗生素只影响一小部分细菌群体，因此促使细菌进化出耐药性的选择压力就会大大降低。快速复制DNA以及转录特性分析等领域的进展可能很快就将使细菌菌株的鉴定成为医院的一种常规化验程序。 

虽然现在的局面似乎比几十年来的仟何时候都要乐观，但我们切不可以忘记，生物军备竞赛自古以来就一直进行着。道高一尺，魔高一丈，每当我们发起一次富有创意的反击，细菌迟早会以牙还牙地予以报复——或许它只是改变某种氨基酸中的一个原子，就能躲过我们的攻击。总会有武林新秀冒出来向老一辈高手挑战。而人类的希望在于，我们会显示出谨慎而克制的态度，周密而负责任地动用我们日益庞大的武库，使我们的武器不至于在同细菌的军备竞赛中很快就变成过时的东西。

【周晓刚／译 冉隆华／校】