抗生素 (Antibiotics) 是微生物 (细菌、真菌、放线菌等) 的代谢产物或人工合成的类似物，一种能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质[1]。
抗生素在抑制微生物或肿瘤细胞、筛选稳定表达株等方面发挥重要作用。
图 1. 抗生素的发现史[2]。
▐ 抗生素的分类及靶点
根据抗生素作用对象及范围一般可将抗生素分为抑菌/杀菌型抗生素和抗性基因筛选型抗生素。
图 2. 抗生素的作用靶点分类[3]。
▐ 1.抑制细菌细胞壁合成
抑制细胞壁的合成引起细菌真菌破裂死亡。这类抗生素一般为是 β-内酰胺类抗生素，有青霉素 (Penicillin) 、两性霉素 B (Amphotericin B) 等[4]。
哺乳动物细胞如 293、CHO 等没有细胞壁，不受以上抗生素的影响。
以 Penicillin 为例：
图 3. 青霉素 (Penicillin) 作用机理示意图[5]。
细菌真菌细胞壁主要成分肽聚糖由 N-乙酰葡糖胺 (N-acetylglucosamine, GlcNAc) 和 N-乙酰胞壁酸 (N-acetylmuramic acid, MurNAc) （以不同深浅的蓝色表示）通过 β-1, 4 糖苷键交替相连的线性多糖链 (polysaccharide chains) 组成，其中 MurNAc 上连接一个短肽，转肽酶 (PBP) （棕色）催化短肽最后两个 D-丙氨酸残基（红色）相连，相邻短肽之间从而形成交联 (cross-link)，使肽聚糖最终成为网状结构。
Penicillin 可通过与酶的催化丝氨酸残基形成不可逆的共价键最终使转肽酶失活，从而抑制细胞壁合成。
▐ 2.破坏细胞膜结构与功能
直接与细胞膜相互作用，影响细胞膜的通透性，从而破坏细胞膜的结构与功能。这类抗生素主要有多粘菌素 (Polymyxin) 和短杆菌素等。
以 Polymyxin 为例：
图 4. 多粘菌素 (Polymyxins) 的作用机理示意图[6]。
Polymyxin 可与革兰氏阴性细菌外膜的脂多糖结合，同时多粘菌素的疏水性脂肪酰基链和七肽环结构域插入外膜，并在外膜上形成孔状聚体，从而导致外膜渗透。随后多粘菌素分子插入磷脂双分子层，破坏细胞膜的完整性，导致内膜破裂、细胞内液外渗和细胞死亡。
▐ 3.干扰蛋白质合成
干扰蛋白质合成过程中核糖体的组装，如竞争性结合大小亚基[7]。
这类抗生素主要包括四环素类 (Tetracycline)、链霉素 (Streptomycin)、新霉素(Neomycin)、庆大霉素 (Gentamicin)、卡那霉素 (Kanamycin)、嘌呤霉素 (Puromycin)、遗传霉素 (G418)、氯霉素 (Chloramphenicol) 等。
以 Kanamycin 为例：
图 5. 卡那霉素的作用机制[8]。
A. 核糖体中的正常翻译过程; B. 卡那霉素 (K) 影响翻译过程。
卡那霉素 (Kanamycin) 进入细胞后，可与 30S 核糖体亚基中的 16S rRNA 受体不可逆的结合， mRNA 密码子翻译成氨基酸的过程将受到影响，导致 tRNA (转运 RNA) 错误地将氨基酸插入多肽链中，从而产生无功能的蛋白质。这些异常蛋白质会在胞内积聚，产生剧毒，导致细胞停滞。
▐ 4.抑制 RNA 转录和 DNA 复制
抑制 RNA 转录和 DNA 复制，影响细胞分裂或相关酶的合成。这类抗生素主要有博来霉素 (Bleomycin)、利福平 (Rifampin) 等[9]。
以 Rifampin 为例：
图 6. Rifampin 对 DNA 依赖性 RNA 聚合酶的抑制作用[10]。
Rifampin 在细菌中的作用靶点是 DNA 依赖性 RNA 聚合酶的 β 亚基 (RNA 聚合酶由一个 α 亚基二聚体、一个 β 亚基、一个 β’ 亚基和一个 ω 亚基组成)。Rifampin 通过干扰 β 亚基与 DNA 的结合，从而抑制 mRNA 的产生，阻断 RNA 转录过程，使 DNA 和蛋白的合成停止，最终导致细菌死亡。
常规抗生素主要用于防控污染，而选择性抗生素主要用于筛选具有特定特性的细胞或细菌。抗生素的选择主要取决的实验的目的和需要，可不能马虎大意哦~
以下是小 M 为大家整理的抗生素快速选择指南！
1. 常规抗生素：主要用于防止细菌、真菌或其他微生物污染在无菌条件下进行的实验。
注意：抑菌型抗生素抑制病原微生物生长繁殖而无杀灭作用；杀菌型抗生素抑制且能杀灭病原微生物。
2. 基于抗性基因的选择性抗生素：用于选择和分离含有特定抗性基因的细胞或微生物。
Tips：原核细胞核糖体为 70S，由 30S 和 50S 亚基组成；真核细胞核糖体为 80S，由 40S 和 60S 亚基组成。
以上筛选浓度仅供参考，还是需要进行预实验并根据预实验结果设计哦~
成功的关键：
1. 除菌：抗生素溶液通常进行过滤除菌。大多数抗生素不耐高温，不可进行高压蒸汽灭菌。同时许多抗生素的环状结构可以吸收紫外光，发生反应导致变性，因此不可通过紫外照射杀菌。
2. 操作：用于培养的器皿和培养液都需要严格无菌，实验操作中也应无菌操作避免污染；抗生素的工作浓度依据实验情况进行调整。
3. 储存：抗生素应根据建议储存并尽量避免反复冻融，以免效价下降。
以上就是小 M 为大家整理的有关抗生素选择方面的整理~祝愿使用 MCE 抗生素产品的科学汪们：实验顺利，拿好数据，发高分文章！大家还有其他问题或其他想了解的可以留言我们一起讨论哦~
[1] 王润玲. 药物化学. 中国医药科技出版社. 2014. 295-326
[2] Chakraborty N, et al. Nanobiotics against antimicrobial resistance: harnessing the power of nanoscale materials and technologies. J Nanobiotechnology. 2022 Aug 12;20(1):375.
[3] Etebu E, et al. Antibiotics: Classification and mechanisms of action with emphasis on molecular perspectives. Int. J. Appl. Microbiol. Biotechnol. Res, 2016, 4: 90-101.
[4] Heesemann J. Mechanisms of resistance to beta-lactam antibiotics. Infection. 1993;21 Suppl 1:S4-9.
[5] Lobanovska M, et al. Penicillin's Discovery and Antibiotic Resistance: Lessons for the Future? Yale J Biol Med. 2017 Mar 29;90(1):135-145.
[6] Sun Z, Palzkill T. Deep Mutational Scanning Reveals the Active-Site Sequence Requirements for the Colistin Antibiotic Resistance Enzyme MCR-1. mBio. 2021 Dec 21;12(6):e0277621.
[7] Germovsek E, et al. What do I need to know about aminoglycoside antibiotics? Archives of Disease in Childhood Education & Practice Edition, 2016, 102(2):89-93.
[8] António Correia, et al. Identifying Patterns on the Development of Kanamycin Resistance in Staphylococcus epidermidis with Four-Welled Plates.
[9] Domagala JM. Structure-activity and structure-side-effect relationships for the quinolone antibacterials. Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 1994, 33(4): 685-706.
[10] Cambau E, et al. Anti-leprosy drugs: modes of action and mechanisms of resistance in Mycobacterium leprae, Chapter 5.2. International textbook of leprosy, 2019.
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