超级细菌金属β-内酰胺酶NDM-1多重耐药的结构机理研究

超级细菌是一类对多种抗生素药物都有强劲耐药性的细菌，其传播和感染严重威胁到人类健康。最近，科学家在南亚和英国发现了一类携带有新型耐药基因NDM-1的超级细菌，这类细菌对现今几乎所有类型的抗生素都耐药。研究表明，NDM-1基因存在于细菌可移动遗传元件质粒上，可以在病原菌间广泛传播。NDM-1基因编码一种金属β-内酰胺酶，可以分解包括青霉素类、头孢菌素类和碳青霉烯类在内的绝大多数临床上广泛应用的β-内酰胺类抗生素药物。本研究拟解析NDM-1蛋白及其与β-内酰胺类抗生素复合物的晶体结构，通过结构比较和分析、定点突变和酶活测定等实验确定NDM-1蛋白酶活中心和底物识别的关键位点，阐明其催化的分子机理，探讨NDM-1蛋白对底物广谱识别的结构基础，为寻找和设计对NDM-1有效的抑制剂，探索我国具有自主知识产权的新型抗菌药物奠定基础，同时为病原菌耐药机制的相关研究提供新的理论知识。

新近发现的NDM-1 是一种金属β-内酰胺酶，可以分解包括青霉素类、头孢菌素类和碳青霉烯类在内的绝大多数β-内酰胺类抗生素药物，携带有NDM-1编码基因的病原菌对人类健康构成了重大的威胁。从2009年首次鉴定至今，关于NDM-1蛋白自由状态下和与青霉素类或碳青霉烯类抗生素复合物的晶体结构研究取得了进展，但在临床上广泛使用的头孢菌素类抗生素被NDM-1分解的分子机理还未被揭示。本项研究利用核磁共振分析了两种代表性头孢类抗生素头孢呋辛与头孢克肟被NDM-1水解产物的结构特征，并成功地测定了NDM-1与头孢呋辛和头孢氨苄复合物的高分辨率晶体结构。三维结构模型清晰地展现了两种抗生素底物被分解生成头孢菌素产物中间体的状态，这些研究结果完整地描绘出NDM-1分解头孢类抗生素的分子机制和反应过程，对产物中间体的化学本质以及反应限速步骤的认识为合理地设计抑制剂提供了充分的理论依据。