微生物能夠產(chǎn)生活性和結構多樣的小分子代謝物用于其防御和致病等生理過程。同時，這些小分子及其衍生物也是人類臨床藥物的重要來源之一，它們展現(xiàn)出了良好的抗菌、抗病毒和抗腫瘤等活性。在長期的進化過程中，微生物演化出了眾多精妙的生物合成途徑用于將簡單的初級代謝產(chǎn)物（氨基酸和乙酰輔酶A等）轉化為復雜的活性次級代謝分子（如抗生素和致病因子等）。深入揭示重要病原與醫(yī)藥微生物中關鍵代謝產(chǎn)物生物合成的遺傳與生化機理，可以為病原微生物的防治和新抗生素的研發(fā)提供新靶點和新策略。

氮元素是生命的第四大元素（碳、氫、氧、氮），其是蛋白質(zhì)、核酸以及其他數(shù)目眾多的含氮代謝物的重要結構組分。傳統(tǒng)觀點認為氮循環(huán)（nitrogen cycle）中的無機氮素（硝酸鹽和亞硝酸鹽等）需先轉化為氨（NH3）后才能被同化進入生物體的有機含氮分子中。聯(lián)氨（H2N-NH2或N2H4）不僅是一種廣泛使用的火箭和人造衛(wèi)星的燃料，同時也是制藥和化工行業(yè)中常用的有機合成前體。20世紀90年代，聯(lián)氨（N2H4）作為氮循環(huán)中細菌氨厭氧氧化過程（anammox）的中間體在自然界首次被發(fā)現(xiàn)。然而，聯(lián)氨（N2H4）在生物有機代謝過程中的角色和功能依然未知。

2024年5月2日，浙江大學基礎醫(yī)學院微生物系/附屬第四醫(yī)院杜藝嶺課題組在國際化學領域旗艦刊物《J. Am. Chem. Soc.》（《美國化學會志》）上發(fā)表了題為“Discovery of a bacterial hydrazine transferase that constructs the N-aminolactam pharmacophore in albofungin biosynthesis”的研究論文。在這項工作中，研究人員首次發(fā)現(xiàn)微生物能夠利用氨基酸作為代謝前體合成聯(lián)氨（N2H4），并將其用于抗生素關鍵活性基團的生物合成。

白真菌素（albofungin）是一種放線菌來源的強效廣譜抗生素，其獨特的N-氨基內(nèi)酰胺結構基團（N-aminolactam）對其生物活性至關重要，是它的關鍵藥效團。在本研究中，研究人員綜合微生物遺傳學與生物化學、合成生物學以及分析化學等多學科的技術手段，首次揭示了白真菌素的N-氨基內(nèi)酰胺活性彈頭形成的生物化學機理。研究人員首先利用DNA大片段捕捉技術將單霉素鏈霉菌（Streptomyces monomycini）基因組上一段編碼了白真菌素生物合成基因簇的DNA大片段（～78kb）轉移至通用的鏈霉菌細胞工廠（Streptomyces albus）中，實現(xiàn)了白真菌素的異源高效合成。隨后，研究人員對該基因簇（共58個基因）內(nèi)10余個可能參與N-氨基內(nèi)酰胺組裝的基因進行了逐個敲除，并對相關的基因突變株進行了系統(tǒng)的代謝物分析和新產(chǎn)物結構鑒定。進一步的同位素示蹤和蛋白功能表征實驗顯示該生物合成基因簇內(nèi)編碼了一條潛在的新型聯(lián)氨（N2H4）生物合成途徑。該途徑以丙氨酸和賴氨酸作為氮原子前體，將以上兩種氨基酸通過氮-氮鍵（N-N）連接后再移除全部碳骨架得到N2H4（圖1）。隨后，研究人員還從基因簇內(nèi)鑒定了自然界首個能夠同化N2H4的蛋白組件-聯(lián)氨轉移酶。該酶催化了N2H4和聚酮中間體的縮合反應形成了白真菌素的N-氨基內(nèi)酰胺活性彈頭。

圖1 白真菌素的生物合成基因簇及其途徑中間體聯(lián)氨的合成和利用過程

綜上，本研究首次解析了廣譜抗生素白真菌素的關鍵藥效團的合成代謝機理，首次發(fā)現(xiàn)了聯(lián)氨（N2H4）能夠作為代謝前體參與生物有機代謝過程，并鑒定了首個能夠利用聯(lián)氨的蛋白組件（聯(lián)氨轉移酶）和一條潛在的新型聯(lián)氨生物合成途徑。

浙江大學基礎醫(yī)學院杜藝嶺課題組博士后李偉為本論文的第一作者，浙江大學基礎醫(yī)學院杜藝嶺研究員為本論文的通訊作者。該工作受到國家自然科學基金委項目（32122005和32370051）的支持。