新突破方法開發新抗生素

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抗生素在人類與細菌的戰爭中扮演極重要腳色
因為盤尼西林的發現,人類在與細菌的戰爭,算是贏得了第一回合。半個多世紀以來,因為抗生素的濫用與誤用,造成嚴重的抗藥性問題。現在,變種細菌似乎蓄勢待發,全球多起致命性的醫院內感染案例,似乎都與之有關;醫療界再度陷入尋找有效抗菌新藥的窘境。

然而,這一回合的局勢對人類而言也不是太糟。科學界對於盤尼西林所以能克服細菌的來龍去脈已瞭若指掌。這整個的關鍵,在於細菌必須有細胞壁的保護才能存活、繁殖。細胞壁的生成要靠一些特定的酵素,如果這些酵素失掉活性,細菌自然會凋零。盤尼西林及其衍生物的作用,就在於可以抑制細胞壁合成過程中的一個重要關鍵酵素『轉胜肽酶』 (Transpeptidase),進而阻止細菌生長。科學家之所以依循脈絡,持續的尋找其他可以抑制這類酵素的方法,主要是因為人類體內沒有這類的酵素,因此,不會有解藥也是毒藥的顧慮。

另一個促成細胞壁合成的重要關鍵酵素是細菌表面的『轉醣酶』(Transglycosylase)。數十年來,醫藥研發界針對抑制『轉醣酶』活性的研發一直在進行,至今,唯一有效的抑制劑為天然物Moenomycin。Moenomycin可阻止細菌生長,現僅用於家禽、家畜類動物的飼料添加劑,但是,在人體內卻毫無用武之地。

馬徹博士研發出表現及純化粹取膜蛋白的新方法
馬徹博士研發出表現及純化粹取膜蛋白的新方法
在中央研究院鄭偉杰馬徹鄭婷仁翁啟惠領導下,基因體研究中心的研究團隊成功地利用這些已知的藥物與特性,聚集多種科學領域的專才,研發出一個完整的技術平台。這個技術,對於尋找有效轉醣酶抑制劑,作為新的抗菌武器,是一項重大的突破。整個技術的說明,已在最新的美國國家科學院期刊發表("Domain requirement of moenomycin binding to bifunctional transglycosylases and development of high-throughput discovery of antibiotics",Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008; 105:431-436.)。

因為標的物『轉醣酶』屬於膜蛋白,是一種少量難得的物質。為了要取得足夠的實驗用量,專長於膜蛋白研究的助研究員馬徹博士,首先展開研發表現及純化粹取膜蛋白的新方法。運用這個新方法,多位學生及助理共同合作而取得16種不同的細菌蛋白,利用大腸桿菌培養,成功地大量純化出這些轉醣酶膜蛋白。

另一方面,專長於有機化學的助研究員鄭偉杰博士順利純化此天然物,並進行一連串的化學修飾,而得到Moenomycin的螢光探針。螢光探針,是修飾物質的化學結構,使得因應某種化學特性時,以螢光顯示的一種化學方法。鄭偉杰實驗室,成功的研發出可以依附在Moenomycin卻不影響其性質的螢光探針。有此利器,Moenomycin的行跡就可以一覽無遺。

利用螢光探針來偵測化合物與Moenomycin的反應
利用螢光探針來偵測化合物與Moenomycin的反應

有了足夠的轉醣酶與追蹤Moenomycin的方法,研究助技師鄭婷仁博士,運用螢光異向性(fluorescence anisotropy)的技術,發展出可快速偵測轉醣酶活性的方法,可用來觀察有沒有那些化合物,在加入已經與Moenomycin有反應的『轉醣酶』後,因為有更好的結合力,導致『轉醣酶』捨Moenomycin而轉向新化合物。因為已經在Moenomycin裝置了螢光劑,當Moenomycin被捨棄時,就可以清楚被查證。接下來,研究團隊的目標,在於尋找可以和Moenomycin一樣能與『轉醣酶』發生作用,而且取代Moenomycin,足以作為『轉醣酶』抑制劑的其他解藥! 基因體中心的高速藥物篩選實驗室,存有數十萬種的各式各樣化學合成物,這其中有已經核可的藥物,也有研究人員辛苦研發的獨特合成物。這其中有沒有研究小組要尋找的答案呢?

在高速藥物篩選實驗室包括研究技師鄭義循博士及鄭婷仁博士等的合力之下,研究人員總共篩選約57,000種化合物。皇天不負苦心人!11種化合物脫穎而出。再經過實驗的篩選,最後,判定3種化合物可以作為研發新抗生素的候選物。

馬徹博士、鄭偉杰博士、鄭婷仁博士(由左至右)於藥物篩檢實驗室
馬徹博士、鄭偉杰博士、鄭婷仁博士(由左至右)於藥物篩檢實驗室
鄭婷仁博士表示,『能夠找到合乎我們目標的化合物,的確是另人振奮的成果。不過,更另團隊鼓舞的,在於這整個環環相扣的方法,足以證明其他的解藥也可以如法炮製而找到!如果我們繼續收集高速藥物篩選實驗室的庫藏,不難判定,更理想的藥物也可以繼續發掘出來!』

此外,鄭偉杰博士也表示,『這項研究工作過程中,我們結合了有機合成、天然物純化、膜蛋白研究、藥物高速篩選等各種專長的研發,成功的展現了中心跨領域合作的成就及必要性!』

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