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*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*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，*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.