从蟑螂肠道微生物组中筛选和鉴定抗菌肽

引言

随着抗生素的过度使用，全球范围内出现了致命的多重耐药微生物，而新型抗生素的研发却相对滞后。与传统抗生素相比，抗菌肽是一种进化起源的分子，能够通过破坏细菌膜而发挥抗菌作用，同时其对宿主细胞的毒性较低。本研究聚焦于德国小蠊（Blattella germanica，B. germanica）的肠道微生物组，这是一个未被充分开发的自然进化抗菌肽（AMPs）资源库，用于开发抗菌剂。

背景

抗菌肽（AMPs）是一类具有抗菌活性的小分子肽，它们通过破坏细菌细胞膜或干扰细胞壁合成来杀死细菌。与依赖特定生物靶标的常规抗生素不同，AMPs通常具有短的环境污染半衰期，并且通过类似洗涤剂的方式破坏微生物，不涉及特定的生物靶标。然而，AMPs的应用受到体内稳定性和细胞毒性的限制，目前只有少数AMPs完成了III期临床试验。因此，寻找具有医疗可用性的AMPs变得尤为重要。研究者提出从B. germanica的肠道微生物组中挖掘自然“设计”的AMPs，这种普遍的病原昆虫携带着如Shigella castellani、Pseudomonas aeruginosa、Salmonella enteritidis和Escherichia coli等有害微生物。在活体系统内管理这些危险微生物的能力意味着蟑螂宿主中可能存在抗菌能力强且生物安全的AMPs。

结果

AI深度学习策略(AMPidentifier)设计用于高效AMP预测

使用一热编码和蛋白质物理化学描述符来表示每个输入肽序列。通过统计分析选定的AMP序列，我们发现正电荷残基Lys和Arg在所有氨基酸中的分布比例最高，而负电荷残基Glu和Asp相对较少。这种序列模式被认为对AMPs发挥其抗菌效果至关重要，因为细菌膜中普遍存在负电荷成分。我们还观察到疏水残基如Leu、Val和Ile的显著丰度，这可能有助于它们与膜的疏水部分相互作用。

AMPidentifier工具的工作流程

研究者开发了一个新的计算管道“AMPidentifier”，它集成了计算块和一个数学设计的注意力模块，以快速准确地从基因组中识别AMPs。使用AMPidentifier，从与B. germanica的共生菌Blattabacterium cuenoti中鉴定出具有保守序列特征的AMP1，并发现它表现出广谱抗菌活性。通过实验研究结合全原子MD模拟，揭示了AMP1不仅引起细胞膜去极化，还可能抑制细胞壁合成（图1）。色氨酸残基被证明对AMP1的细胞内稳定性至关重要。

AMP1的体内外活性验证

在体外验证中，AMP1对多种细菌显示出广谱抗菌活性，对枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有显著抑制效果。此外，AMP1在小鼠模型中展现出强大的抗菌效果和伤口愈合效果（图2），与万古霉素的表现相当。

讨论

本研究创建了一个便携式计算管道“AMPidentifier”，用于从B. germanica的肠道微生物组数据中发现新的AMPs。筛选出的AMP1已确认在体外和体内均显示出强大的抗菌活性及在体内显著的伤口愈合特性。此外，对AMP1的抗菌机制的初步调查表明，它可能导致细胞膜去极化，并可能抑制细胞壁合成。

图1. 展示了AMP1如何通过与细菌膜的相互作用导致细胞膜去极化，并可能抑制细胞壁合成。

图2. 比较了AMP1处理组和对照组在小鼠模型中的伤口愈合效果，显示AMP1具有显著的伤口愈合效果。

与传统的抗生素相比，AMPs具有多种优势，包括广谱活性、快速作用和较低的耐药性发展风险。我们的研究强调了AMP序列中特定残基的重要性，并为AMPs的合理设计提供了宝贵的见解。利用未开发的微生物组数据代表了一种开创性的跨学科方法，并为未来识别新的具有医学价值的AMPs提供了有希望的资源。

结论

本研究创建了一个新的高通量AI工具，用于从病原昆虫B. germanica的未开发肠道微生物组数据中发现高效、低细胞毒性的AMP，强调了AMP序列中特定残基的重要性，并且这些AMP具有医疗价值。

参考文献：Chen S, Qi H, Zhu X, Liu T, Fan Y, Su Q, Gong Q, Jia C, Liu T. Screening and identification of antimicrobial peptides from the gut microbiome of cockroach Blattella germanica. Microbiome. 2024 Dec 21;12(1):272. doi: 10.1186/s40168-024-01985-9. PMID: 39709489; PMCID: PMC11663339.