研究背景
面对抗生素耐药性挑战，抗菌肽（AMPs）因其独特膜裂解机制成为研究热点。反刍动物胃肠道微生物组作为新型AMPs的资源库，尚未得到充分开发。本研究采用深度学习与生物信息学方法，旨在挖掘该体系中具有抗耐药菌活性的新型抗菌肽，为耐药菌感染防控提供新策略。
技术路线
实验设计
本研究通过ProtBERT、CNN和LSTM构建深度学习模型，从反刍动物宏基因组中筛选候选抗菌肽。结合宏蛋白质组精选39种肽进行合成，通过体外实验评定抗菌活性与生物安全性，遴选出先导肽Peptide 4。进一步利用小鼠感染模型验证其体内抗methicillinresistant Staphylococcus aureus(MRSA)功效，并通过分子动力学模拟与电镜揭示其膜破坏机制。
主要研究结果
1. 基于深度学习的AMP分类模型表现出稳健的性能
该研究模型能高效处理蛋白质序列，各项指标显著优于现有模型。依托该模型，成功从宏基因组中筛选出大量潜在抗菌肽。
图1 基于深度学习的AMP分类模型和性能评估
2. 反刍动物GIT区域特异性分布及AMP选择
结果表明，反刍动物胃肠道中分泌cAMP的细菌分布具有显著区域特异性。不同区段（如瘤胃、肠道）的菌群丰度和组成差异明显，受局部pH、营养等环境因素调控，鉴定的85个AMP与多种细菌丰度呈显著负相关，其中39个在多个胃肠区均发挥作用的肽被优先选定。
图2 基于生物信息学的AMP筛选
3. AMP在体外试验中实际应用潜力
抑菌实验结果表明，多数肽对致病菌有抑制效果，其中Peptide 4对MRSA具有强效抑制作用，且不易诱导耐药性。毒性实验表明，其溶血率低于15%，对哺乳动物细胞无毒性。
图3 Peptide 4外抗菌功效和生物安全性评价
4. Peptide 4消除小鼠伤口感染模型中的MRSA
结果表明，Peptide 4表现出强大的MRSA清除能力。处理14天后，效果优于莫匹罗星对照组。组织学分析显示处理后炎症反应减轻且表皮修复完整，证明其具有显著的体内抗感染和促愈合双重功效。
图4 评估Peptide 4在伤口感染小鼠模型中的抗菌功效和治疗潜力
5. Peptide 4特异性靶向细菌细胞膜
电镜显示，肽处理可引起MRSA细胞膜凹陷、渗漏直至彻底裂解。分子动力学模拟进一步揭示，其通过静电作用吸附于膜表面，疏水核心插入脂质双分子层，增加膜流动性并诱发水孔形成，最终导致膜结构损伤。
图5 Peptide 4对MRSA的影响及分子动力学模拟探索Peptide 4的作用机制
研究结论
本研究成功开发了一种深度学习驱动的方法，高效挖掘反刍动物胃肠道微生物资源，发现新型抗菌肽Peptide 4。该肽通过破坏细菌细胞膜机制，有效抑制MRSA，且不易诱发耐药性。体外与体内实验均证实其具有强抗菌活性、低毒性和促进伤口愈合功能，展现出良好的转化应用前景。
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参考文献
Shen H, Li Y, Pi Q, Tian J, Xu X, Huang Z, Huang J, Pian C, Mao S. Unveiling novel antimicrobial peptides from the ruminant gastrointestinal microbiomes: A deep learning-driven approach yields an anti-MRSA candidate. J Adv Res. 2025 Jan 3:S2090-1232(25)00005-0. doi: 10.1016/j.jare.2025.01.005.
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