噬几丁质菌属及其天然产物研究进展_梁幸.pdf

第 1 期第 53 卷工业微生物作者简介：梁幸（1997），女，汉族，福建建瓯人，硕士研究生，福建师范大学生命科学学院，研究方向：生物化学与分子生物学。E-mail：。噬几丁质菌属及其天然产物研究进展梁幸，孔令露福建师范大学生命科学学院，福建 福州 350108摘要：噬几丁质属细菌是一类极具药物开发潜力的革兰氏阴性菌，细胞细长、可以滑动并形成黏孢子，具有较强的几丁质酶活性，能产多种抗生素，是新型抗生素的重要潜在来源。为了进一步认识噬几丁质属细菌，文章主要对噬几丁质属细菌的生物学特征及活性天然产物两个方面进行阐述。关键词：噬几丁质属细菌；生物学特征；活性天然产物doi：10.3969/j.issn.1001-6678.2023.01.008抗生素是一类由微生物产生的，能够干扰其他微生物生长的次级代谢产物。这些次级代谢产物在临床上对于传染病的治疗效果显著，新型抗生素的不断发现及治疗方法的不断创新显著提高了传染病的治愈率。虽然抗生素的开发已经取得了许多成果，但是由于微生物不断对临床使用的抗生素产生抗药性，传染病依旧严重威胁着全人类的健康1。当今，人们使用的大多数抗生素均来自放线菌或真菌的次级代谢产物及其衍生物，然而，随着新结构化合物的不断发现，这些传统的抗生素的来源已经难以发现新的化合物。这表明人们迫切需要利用尚未开发的微生物作为新型抗生素的来源。噬几丁质属细菌是一类细胞细长、可以滑动并形成黏孢子的土壤腐生细菌，由于具有较强的几丁质酶活性而得名。现代分类学将其界定为拟杆菌门、鞘氨醇杆菌纲、鞘氨醇杆菌目、噬几丁质菌科、噬几丁质菌属。目前，国内外学者对该属细菌的研究工作大多集中在菌株分离和鉴定上，对其功能的研究较少。由于对噬几丁质属的认识较晚，且该属菌株生长缓慢，易被其他杂菌污染，不易分离纯化，目前对噬几丁质属的研究主要集中在新菌种的发现，对其活性物质的研究较少2。为了进一步认识噬几丁质属细菌，本文主要对噬几丁质属细菌中的天然产物进行探究。1生物学特征1.1分类地位噬 几 丁 质 菌 属（Chitinophaga），最 初 是 由Sangkhobol 和 Skerman 作为黏细菌的一个新属提出并建立的，因其水解几丁质的能力而得名。近年来，随着系统发育分类学方法的完善，噬几丁质菌属已被分为 40 种，其中 Chitinophaga pinensis 是噬几丁质属细菌的模式种。1.2形态和生理生化特征噬几丁质属革兰氏阴性菌，好氧或微好氧，化能有机营养型，不形成子实体。菌体呈杆状，两端圆顿；菌落为黄色，形状不规则，没有平滑的边缘，成熟阶段，细胞大小为 0.50.840 m，休眠期直径则为0.80.9 m3。噬几丁质属细菌中，部分种具有滑动能力，噬几丁质属细菌存在范围极其广泛，各种自然环境中，如土壤、岩石、树皮、底泥、植物根际和湖泊中均可发现其存在。2活性产物Chitinophaga 具有良好的抑菌活性，是众所周知的具有抗菌活性的肽生产专家，Chitinophaga 产生的大分子活性物质主要是一系列胞外酶，如蛋白酶、几丁质酶等；同时 Chitinophaga 还可产生一系列小分子活性物质，如抗生素及其中间体。第 53 卷第 1 期2023 年 2 月工业微生物Industrial MicrobiologyVol.53 No.1Feb.202322-第 1 期第 53 卷梁幸等：噬几丁质菌属及其天然产物研究进展2.1Pinensins羊毛硫抗生素（lantibiotics，含羊毛硫氨酸的抗生素）是指由细菌产生的，通过核糖体途径合成的翻译后修饰的具有特殊有机基团的一类抗菌肽或称硫醚抗生素。第一种羊毛硫抗生素 Pnisin 最早于 1928年问世。羊毛硫抗生素主要由革兰氏阳性菌产生，可以明显抑制微生物的生长，尤其是抑制革兰氏阳性菌的生长4。2015 年，Kathrin I 等从菌株 C.pinensis DSM 28390（=DSM 2588）发现了两种未知肽，分析发现它是一种有趣且新颖的（亚）羊毛硫抗生素，命名为pinensinsA和 pinensinsB（如图 1所示）。pinensinA和pinensinB 分别是 22 个和 21 个氨基酸（aa）衍生的环状lantipeptides，并包含两个3-甲基-羊毛硫氨酸桥的交织环体系。pinensinA的相对分子量为2213.9622，分子式为 C96H139N27O30S2；pinensin B 的相对分子量为 21 42.9 251，分子式为 C93H134N26O29S2，这表明 pinensin B 少了一个丙氨酸残基。图 1pinensin A 与 pinensin B 的结构研究发现，pinensins 对细菌的活性很弱，但对真菌和酵母菌却表现出明显的抑制作用。它们具有广泛的抗真菌活性，对酵母和丝状真菌的最低抑菌浓度（MIC）为 2.14.2 mg mL-1。pinensin A 和pinensinB 不仅代表羊毛硫抗生素杀真菌的第一个实例，而且是第一次从天然革兰氏阴性菌中分离出的羊毛硫抗生素5。2.2Elansolid在寻找新型抗生素的过程中，Steinmetz、Gerth和 H?fle 在革兰氏阴性菌 Chitinophaga sancti 的培养基提取物中发现了一组新的大环内酯类化合物，并将其命名为 elansolids6。这是首次从噬几丁质菌属中提取到聚酮大环内酯类化合物，elansolids 对包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）在内的几种革兰氏阳性细菌均表现出一定的抑菌活性。elansolids 的基本结构是 A1（1），具有 8 种构型（如图 2 所示），elansolids A1 和 A2（1/1*）以两种不同的阻转异构体的形式存在，A1 的相对构型和绝对构型的分配是基于从发酵提取物中分离得到的癸二酸衍生物 B1（3）和 B2（4）。这两种 elansolids 均对革兰氏阳性细菌表现出抑菌活性，且 elansolid A2 具有比 elansolid A1 更高的抑菌活性，elansolid A2 对耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌 MRSA 的最低抑制浓度（MIC）的范围为 2 g mL-1。研究人员的进一步研究表明，Chitinophagasancti 的 生 物 合 成 终 产 物 是 elansolid A3（2），elansolid A3 通过分子内 Michael 加成反应内酯化，生成 elansolid A1/A2。而当培养基中加入邻氨基苯甲酸后，则会产生 C1（6）。同时还发现水、甲醇或氨图 2elansolids 的化学结构pinensin AR3=Ala-OHpinensin BR3=OHOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOHNHNHNHNHNNNNNSNHNHNHNHNHNHNHHNHNHNHNHNHNNHNHNHHNOSR3NH2OHHOHOOHOHOHOHOHOHOHOHOH OHOHOHOHHOHOHOHOHOHOHOOOOOOOOOOHOHHHHHHHHHHHRHHHHHHCOOHCOOHCOOHCOOH3R=OH4R=OMe5R=NH261278HHHHHHNH23-第 1 期第 53 卷工业微生物也可以用作亲核试剂，攻击 elansolid A3 的醌甲基化物部分，生成 elansolid B1-B3（3-5）和 D1-D2（7-8）。有趣的是，这些新形成的衍生物的生物活性与elansolid A2 的生物活性大致在同一范围内。2.3FlexirubinFlexirubin 于 1974 年首次从一种需氧革兰氏阴性 菌 Chiitinophaga filiformis（原 称 为 Flexibacterelegans）中分离出来，随后在噬细胞菌属 Cytophaga、生孢噬纤维菌属 Sporocytophaga，以及金黄色杆菌属Chryseobacterium 等多种微生物中均发现 Flexirubin色素的存在7。Flexirubin 是一种独特的细菌色素，已被用作拟杆菌门的化学分类学标记，其分子结构如图 3 所示，保守结构特征为-4-羟苯基-多烯羧酸发色团被2,5-二羟基间苯二酚（DAR）酯化的结构。Flexirubin结构中吸收光的共轭双键使色素显示黄色，并且其发色基团中的羟苯基使得 Flexirubin 色素在中性条件下为黄色但在碱性条件下变为橙红色，Flexirubin在碱性条件下可逆的颜色变化使其区别于其他黄色色素。Flexirubin 的发色团一般含有 68 个共轭双键，DAR 中的烷基侧链有不同种类和长度，发色团中的侧链可以是 H 和 Cl 原子。图 3Flexirubin 结构图Flexirubin 色素的生物学功能报道较少，在一项研究中，Flexirubin 对 2，2-二苯基-1-苦肼基水合物（DPPH）、羟基自由基、一氧化氮具有显著的抗氧化和抑制脂质过氧化作用。2.4DAB-1氮杂糖是一类与单糖结构相似的天然产物，广泛存在于某些植物、真菌和细菌中，其在结构上可看作氮原子取代了单糖环中的氧原子，又被称为“亚胺糖”或“糖类生物碱”。氮杂糖从结构上可分为 5 类：多羟基哌啶、多羟基吡咯烷、多羟基双稠吡咯烷、多羟基吲哚里西啶，以及多羟基去甲莨菪烷8。20 世纪60 年代中期，氮杂糖出现在人们的视野中，但直到20 世纪 90 年代初，同位素标记实验才发现葡萄糖是 deoxynojirimycin（DNJ）的前体，然后在 2011 年发现了参与 deoxynojirimycin（DNJ）生物合成的 3 个基因簇。2019 年，Claribel 等发现 Chitinophaga pinensisDSM 2588 能够生产氮杂糖 1，4-dideoxy-1，4-amino-arabinitol（DAB-1），其分子结构如图 4 所示，这是第一 次发 现 细 菌 能 够 生 产 DAB-1。研 究 发 现，Chitinophaga pinensis 中，葡萄糖通过磷酸戊糖途径转化为 5-磷酸木糖（X5P），X5P 被 类转氨酶CPIN_RS10785 胺 化，并 被 HAD 家 族 水 解 酶CPIN_RS10775 脱 磷 生 成 4AD，醇 脱 氢 酶CPIN_RS10780 随后氧化 4AD，4AD 经历自发的环化反应形成 nectrisine。化合物 4AD 已被鉴定为Thelonectria discophora 中 nectrisine 的前体，最后，一种还原酶还原了 nectrisine，产生了最终的吡咯烷氮杂糖 DAB-1。图 4DAB-1 结构图氮杂糖是一类强有力的糖苷酶抑制剂，现如今，氮杂糖及其衍生物已经被作为一种潜在的治疗药物被广泛研究。研究结果表明，氮杂糖通过干扰病毒糖蛋白的糖基化过程，能够干扰病毒，用于治疗病毒感染。此外，天然存在的氮杂糖还被证明能够抑制肿瘤的聚集和黏附，具有抗癌的作用9。2.518-hydroxydolabella-3,7-diene萜烯合成酶通常只需一个酶步骤就可将少量简单的线性和非手性低聚戊烯基二磷酸转化为具有多个立体生成中心的多环结构复合亲脂性萜烯。目前，研究人员已鉴定出许多萜烯合酶，并对其产物进行了结构表征，还通过在异源宿主中表达萜烯合酶基因而对萜烯合酶产物进行研究。Jeroen S.Dickschat等将 Chitinophaga pinensis 基因组中编码的二萜合成 酶 的 基 因 在 大 肠 杆 菌 中 异 源 表 达，以geranylgeranyl diphosphate（GGPP）为底物进行培养，获得一种新产物，通过核磁共振波谱法鉴定，其被鉴定为 18-hydroxydolabella-3,7-diene，其分子结构如图 5 所示10。OHOHOOOHHOOHHN24-第 1 期第 53 卷OHHAbstractChitinophaga bacteria are a kind of gram-negative bacteria with