自20世纪40年代以来，抗生素一直是现代医学的支柱。链霉素属于一种叫做氨基糖苷的抗生素，它是千年来寻找结核病治疗方法的第一个线索，结核病仍然是人类历史上最致命的传染病之一。今天氨基糖苷是世界上最常用的抗生素，因为低成本和高效处理广泛的细菌感染。但也会带来副作用，可能会产生终生影响。据估计服用氨基糖苷类药物的患者中，有10%至20%的人肾脏受损，20%至60%的人最终会出现不可逆转的听力损失。目前美国能源部SLAC国家加速器实验室研究人员已经开发出一种新的成像技术，以更好地了解当氨基糖苷被引入人体时导致听力丧失的机制。
核糖体(如图所示)是微小的分子机器，由RNA和蛋白质缠结在一起，错综复杂地连接在一起，就像汤里的拉面。图片：Hasan DeMirci/SLAC National Accelerator Laboratory
博科园-科学科普：使用实验室的Linac相干光源(LCLS) x射线激光器和斯坦福同步加速器光源(SSRL)， SLAC的研究人员与斯坦福大学的研究人员合作，在极低和室温下观察药物和细菌核糖体之间的相互作用，揭示了前所未见的细节。还证明了对抗生素的微小修改可以导致核糖体形状的巨大变化，从而消除听力损失。这项研究将有助于更好地了解药物分子的哪些部位会在体内引起不必要的反应，从而开发出更有效、副作用更少的抗生素。该小组由研究助理兼资深作家哈桑·德米尔奇领导，其研究结果发表在《核酸研究》上。
3D打印蛋白质
哈桑·德米尔奇(Hasan DeMirci)把核糖体(一种由缠结在一起的RNA和蛋白质组成的微小分子机器，错综复杂地连接在一起，就像汤里的拉面)称为“人体的3d打印机”。核糖体利用DNA中包含的遗传信息合成蛋白质，“从头开始构建我们的身体”。核糖体的一个亚基，它的大脑，破译和翻译遗传密码，另一个亚基，它的手，连接氨基酸形成蛋白质。与病毒不同，病毒必须从宿主身上吸取养分才能生存，而细菌则有自己的核糖体，这也是抗生素发挥作用的地方。细菌核糖体是许多抗生素的靶点。所谓的“杀菌”抗生素，比如氨基糖苷，通过攻击细菌核糖体的大脑来发挥作用，导致它们出错，并向细胞中填充蛋白质类垃圾分子。
这就像一间堆满了垃圾的房子，没有回头路了，从那时起，细菌就会死亡。这种策略的问题在于，人类细胞中含有一种叫做线粒体的能产生能量的工厂，这种工厂有自己的核糖体——由于这些核糖体与细菌中发现的核糖体非常相似，它们也很容易受到抗生素的攻击。研究人员说：我们正在杀死这些细菌，但同样的药物进入线粒体并摧毁那里的核糖体。现在无法生产那些为我们提供能量的酶；你服用抗生素，然后开始失聪，肾脏衰竭。
分子机制的真知灼见
对氨基糖苷的浓厚兴趣，因为可以利用它来深入了解核糖体的分子机制。真正想知道的是，这些药物能告诉我们核糖体是如何破译遗传密码。药物让我们有机会在不同的阶段停止这个过程，以了解核糖体是如何催化每一步的。在之前的研究中，发现氨基糖苷会渗透到特定的通道中，以针对听觉必不可少的感觉细胞。可以把它想象成一个蟑螂汽车旅馆，可以进去，但出不去。它们开始聚集，与核糖体结合并改变蛋白质合成。这给感觉细胞带来了巨大的代谢负荷，最终导致死亡。利玛窦实验室的一个主要目标是设计和开发新的氨基糖苷，可以杀死细菌，但不能通过通道。为了做到这一点，研究人员需要确切地了解氨基糖苷是如何与核糖体相互作用，这样就可以修改药物的某些部分而不削弱其杀菌特性。
融霜相互作用
研究人员发现，达到这种理解的最好方法是通过一种叫做x射线晶体学的技术。在x射线晶体学中，研究人员利用x射线散射晶体样品时形成的图形，形成原子和分子排列的三维模型。这项技术允许研究人员观察药物如何与核糖体结合。虽然这些过程中的关键相互作用发生在体温37摄氏度左右，但x射线结晶学通常必须在极低的低温下进行，即零下180摄氏度左右。这导致了数据上的空白，模糊了微小的细节，这些细节可能会为未来的实验提供很大的信息。我们的身体是温暖的，所以重要的生物学是在体温下发生，但在晶体学中，一切都是冰冻的。当把这些过程冷却下来，就错过了热量波动，微小的运动可以改变对药物和核糖体行为的理解。
在LCLS中，结晶核糖体通过毛细管进入相互作用区域，在那里它们被x射线轰击。x射线从晶体中散射到探测器中，为研究人员提供了他们可以用来建立药物和核糖体相互作用的详细3D模型模式。图片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
为了设计出更好的抗生素，需要尽可能近距离地观察在生理条件下发生的这种相互作用。在LCLS中，使用一种称为连续飞秒晶体学的技术，研究人员能够在室温下捕捉到药物和核糖体错综复杂的“华尔兹”。研究人员没有将核糖体晶体冻结，而是将它们悬浮在“母液”中，“母液”是一种特殊的化学溶液，用来保持它们的稳定，因此它们“快乐地游泳，还在摆动和波动”。晶体通过一条毛细管从储层到相互作用区域，就像花园软管一样。一旦进入相互作用区域，晶体就会被LCLS发出的x射线轰击，LCLS会将晶体散射到探测器中，并为研究人员提供模式，他们可以使用这些模式来构建核糖体与药物结合前后的详细三维模型。然后他们用这些模型拼凑出一个交互（相互作用）的模拟。
发现隐藏摆动
为了证明他们的技术，研究人员在低温和室温下拍摄了修饰和未修饰的药物与核糖体结合的图像，以观察它们是否能捕捉到任何差异。他们发现药物分子在低温下不太灵活：为了更好地理解它们与核糖体的相互作用，必须进行微小的摆动。尽管已经记录了几十万个核糖体相互作用的结构，但根据这些低温结构设计的新一代药物还不到几个。那是因为每一个微小的相互作用都会产生巨大的影响，哪怕是一个氢键通过在室温下拍摄的图像，研究小组确定了一处药物可以在不改变药效的情况下进行修改的地点。现在有了一些想法，当药物与核糖体结合时，核糖体中的整体变化可能对抗生素的功能和核糖体的敏感性很重要。
改进拼图碎片
在下一步的实验中，德米尔奇希望设计一种装置，在核糖体成像前的最后一秒才引入抗生素，这样他们就可以观察到它与核糖体的结合，而不仅仅是在前后拍照。到目前为止，团队一直在进行药物合成，对抗生素如何与核糖体相互作用的了解很少。这篇论文和全面的合作让我们可以直接研究药物核糖体的相互作用，这就像拼图游戏中有更多明确的拼图，你不需要猜测发生了什么。开发出能够以最小的副作用对抗耐药细菌的抗生素至关重要，因为抗生素耐药菌株的增加目前是现代医学面临的最大威胁。每年有100多万人死于肺结核，将近50万人感染了艾滋病，人们通常不会死于艾滋病毒或癌症，他们的死亡是因为他们的免疫系统受到抑制，而无法抵抗细菌感染。这时你需要抗生素。但是如果你没有一种有效的抗耐药菌株呢？这就是现在正在发生的事情。这项研究可以帮助我们在设计下一代药物时做出明智的决定。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Nucleic Acids Research》｜研究/来自：SLAC国家加速器实验室，DOI: 10.1093/nar/gky693
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