仅由精氨酸和色氨酸组成短肽的抗菌活性研究

关于抗菌肽的应用及研发，早已经成为当下研究领域的热门话题。近期，英国曼彻斯特一研究团队就精氨酸(R)和色氨酸(W)组成的多肽序列进行研究，针对不同链长，不同配比的序列，研究形成多肽的抗菌性，并将研究结果发布在权威杂志Nature。

在该项研究中，研究人员考虑到了所有可能的完整集合。将这些多肽链的抗菌性以革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌以及酵母的总体活性进行研究。发现在所有的集合中，最多7个残基，由带正电荷的精氨酸 (R) 和/或疏水色氨酸 (W) 组成，这两个特征最常与活性相关;最短的活性肽长度为 4 或 5 个残基;最大的特异性抗菌活性似乎出现在大约 10 个残基的肽中，这表明当按肽的每个残基考虑活性时，开发更大的肽的“收益递减”。

抗菌肽(AMPs)是一种短的氨基酸序列，能杀死或抑制微生物的生长，具有多种作用机制。作为天然免疫的一个组成部分，抗菌肽由许多不同的组织广泛产生，也可以由天然或非天然氨基酸重新设计。高比例的阳离子和疏水残基是与AMP活性相关的两个特征。

阳离子残基(例如精氨酸、R、赖氨酸、K或组氨酸、H)被认为介导与带负电荷的细菌脂质的相互作用，而疏水残基(例如色氨酸、W、苯丙氨酸、F或亮氨酸、L)介导膜结合和/或损伤。天然AMP的长度通常大于15个氨基酸，但活性合成肽小于10个残基。如果用于医药，较短的肽链具有低成本的优势，但通常抗菌效果也比较长的低。

在W和R的所有可能序列中，最长可达七个残基。研究人员共获得了该肽库中254个序列中的 252个的微生物抑制值和杀微生物活性。

研究得出，所有生物体的抗菌活性随着肽长度的增加而增加。可测量的抑制活性所需的最小长度是四个残基，或其他两种生物体的五个残基。同时，不仅抗菌活性仅见于较长的肽，活性程度与长度呈正相关。

与抗微生物活性相比，可检测到的肽的溶血活性更少。只有长度超过四个残基的肽才显示出可测量的溶血活性，并观察到的抗微生物活性，溶血活性与肽长度之间存在正相关关系。

测量每种肽溶液的浊度，用作广泛评估肽聚集程度的手段，表明某些具有五个或更多残基的肽，特别是那些含有更多 W 残基的肽，表现出浊度增加。这可能反映溶解度降低或聚集倾向增加，从而产生大的可见结构。这些肽通常表现出低活性，但以“WWRWW”结尾的肽除外。

与抗菌活性相关的另一个关键特征是存在多个相邻的 W 残基。虽然序列中分离的 W 残基与抗微生物活性没有相关性，但抗微生物活性与二重(xWW)和三重(WWW)含量均呈正相关。这些发现表明，将 W 残基聚类为双联体或三联体对于抗菌活性很重要。对于 R 残基却没有观察到类似的关系。

考虑蛋白酶对肽的内源性裂解可能影响活性的可能性。研究人员通过试验确定了胃蛋白酶片段的可能数量与活性之间的相关性，这在生物体和肽长度之间有所不同。

在比较无活性的七肽 (RRRRRRR) 和最活跃的七肽 (RWWRWWR) 在短暂暴露后对细菌形态的影响中。研究人员对照细菌和用无活性 RRRRRRR 处理的细菌在 80 或 400 µM 下处理 1 小时的形态没有明显变化。然而，暴露于高活性七肽 RWWRWWR(80 µM;1 小时)导致在细菌表面形成球状物体，表明膜起泡。此外，用 400 µM RWWRWWR 溶液处理细菌 1 小时导致样品中可见的完整细菌数量显著减少，并且存在大量较小的不规则物质。

这些发现共同表明肽活性涉及细菌膜的快速扰动，首先改变细胞形状，然后诱导可观察到的形态不规则，在较高浓度下，导致细菌细胞裂解。

在采取了前所未有的综合方法来探索仅由精氨酸和色氨酸组成的短肽的抗菌活性研究中。确定了在整个序列环境中定义活动的简单规则的存在和限制。这涉及表征涉及疏水残基长度和数量的简单关系，并确认它们在抗菌和溶血活性方面有何不同。

此外，在这个相对“简单”的系统中，发现了惊人的复杂性，确定了非常密切相关的肽之间活性的巨大变化。这种复杂性的一部分是由两种主要活动机制引起的：聚集和膜结合，这与细胞形态和死亡的变化有关。

对其他氨基酸的完整序列-活性图谱的进一步分析为专注于基于合理设计、完全合成开发新型抗菌剂的研究开辟了道路。研究的结果可用作与特定较短肽基序相关的活动概要，从而能够组装具有临床效用的较大肽。

参考资料：Clark, S., Jowitt, T.A., Harris, L.K. et al. The lexicon of antimicrobial peptides: a complete set of arginine and tryptophan sequences. Commun Biol 4, 605 (2021).