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这篇综述聚焦诺卡氏菌属（Nocardia），它虽部分为条件致病菌，但具备强大的生物合成潜力，能产生多种抗菌次生代谢物。文中介绍了诺卡氏菌产生的多种抗菌剂，探讨了挖掘其潜力的方法，对解决抗生素耐药危机意义重大。
诺卡氏菌属：抗菌药物的潜在宝藏
诺卡氏菌属是一类广泛分布于土壤和水生环境的革兰氏阳性、高 GC 含量、需氧且抗酸的细菌，目前已知有 131 个有效发表名称的物种，其中至少 54 种可感染人类，是重要的机会性致病菌。
诺卡氏菌感染（Nocardiosis）主要发生在免疫功能低下个体，但约 40% 的感染也见于免疫功能正常者。感染可累及肺部、皮肤、脑部等多个器官系统，全球感染率虽不明确，但部分地区呈上升趋势，如加拿大 1998 - 2008 年感染病例增加两倍，澳大利亚北部发病率为 2.02/10000。治疗通常需长期（6 - 12 个月）联合使用抗菌药物。
除致病外，诺卡氏菌的生物合成潜力备受关注。细菌次生代谢物通常由生物合成基因簇（BGCs）编码，诺卡氏菌基因组蕴含众多 BGCs，不过多数在标准实验室条件下转录沉默，隐藏着大量未开发的生物活性化合物，有望成为新型抗菌药物的来源。
已知的诺卡氏菌抗菌剂
1947 年首次报道诺卡氏菌能产生抗生素，此后虽有发现，但相比链霉菌属（Streptomyces），诺卡氏菌产生的次生代谢物受关注较少。在已知化合物数据库中，“链霉菌属” 搜索结果超 10000 种，“诺卡氏菌属” 仅 340 种，其中 180 种有抗菌活性。尽管数量不多，诺卡氏菌产生的抗菌剂种类多样，作用模式独特。
- 那真霉素（Nargenicin）：20 世纪 80 年代从阿根廷诺卡氏菌（Nocardia argentinensis）中发现，窄谱抗生素，对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）包括耐甲氧西林菌株和分枝杆菌有高效活性，对肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）等革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌无活性。曾因广谱抗生素受青睐而被忽视，近年来随着耐药菌增加和对微生物群重要性的认识加深，重新受到关注。其作用靶点为 DNA 聚合酶 III 的 α 亚基 DnaE，结合具有 DNA 依赖性，不同细菌中聚合酶对 DNA 亲和力差异影响其抗菌活性。虽尚未进入临床试验，但有开发潜力。
- 诺卡硫菌素（Nocathiacins）：核糖体合成的噻唑基环肽，与硫链丝菌素（thiostrepton）结构相似，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、耐多药粪肠球菌（Enterococcus faecium）、耐青霉素肺炎链球菌等革兰氏阳性病原体有高效体外活性，在小鼠感染模型中对金黄色葡萄球菌有效。不过其溶解性不佳，促使开发半合成衍生物，部分衍生物对结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）、艰难梭菌（Clostridiodes difficile）及部分革兰氏阴性菌也有活性。与硫链丝菌素一样，诺卡硫菌素靶向蛋白质翻译，结合细菌核糖体 L11 蛋白，但对金黄色葡萄球菌具有杀菌作用。虽未进行临床试验，但近期研究显示其对恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）有纳摩尔级最低抑菌浓度（MICs），还可能作为抗癌药物，前景光明。
- 诺卡菌素（Nocardicins）：20 世纪 70 年代从均匀诺卡氏菌津山亚种（Nocardia uniformis subsp tsuyamanensis）中发现的 β - 内酰胺抗生素，具有不寻常的单环结构，是单环 β - 内酰胺（monobactam）子类的首个成员。对铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、奈瑟菌属（Neisseria）和部分变形杆菌属（Proteus）等革兰氏阴性需氧杆菌有体外活性，对革兰氏阳性菌无活性，其 MICs 受培养基成分影响。尽管体外活性相对较弱，但在小鼠感染铜绿假单胞菌或奇异变形杆菌（Proteus mirabilis）的体内研究中，表现优于羧苄青霉素，对 β - 内酰胺酶产生菌株也有效。因其独特结构和活性谱，研究人员对其生物合成起源进行了大量研究，虽未进入临床开发，但近年来单环 β - 内酰胺因对 β - 内酰胺酶耐药且对多药耐药菌有效，研究再度兴起。
- 巴西内酯（Brasilinolides）：20 世纪 90 年代从巴西诺卡氏菌（Nocardia brasiliensis，现 Nocardia terpenica）中发现的一类结构独特的 32 元大环内酯，具有抗真菌和免疫抑制活性。巴西内酯 A 对黑曲霉（Aspergillus niger）有抗真菌活性，对其他丝状真菌无活性，还具有高效免疫抑制活性和低细胞毒性。随后发现的衍生物巴西内酯 B 抗真菌谱更广，但免疫抑制活性降低，巴西内酯 C 无免疫抑制活性，但对小鼠淋巴瘤细胞有细胞毒性。这些活性差异可能与 2 - 脱氧 - L - 岩藻糖部分及 C23 羟基位置的修饰有关。目前其作用机制尚不清楚，可能因分子供应有限，合成研究尚未取得突破，仅能从产生菌中获取。不过，近期已确定其生物合成途径，为开发性能更优的新巴西内酯奠定了基础。
诺卡氏菌属未来抗生素发现的潜力
诺卡氏菌属能产生结构和生物活性多样的抗菌剂，但与链霉菌属相比，化合物发现速度滞后。生物信息分析表明，诺卡氏菌属生物合成潜力位居前 20，平均每个基因组含有 20 - 40 个 BGCs，涵盖主要次生代谢物类别，且多数 BGCs 与已知产物及其他放线菌的 BGCs 相似度低、同源性有限，有发现新化学支架的潜力。
解锁诺卡氏菌属独特生物合成潜力面临挑战。一方面，相比链霉菌属，诺卡氏菌属筛选样本数量可能较少；另一方面，标准培养条件下 BGCs 沉默是关键问题。因此，需采用综合方法挖掘其编码的次生代谢物，包括传统培养方法和现代基因组及合成生物学方法。
- 基于培养的方法：传统的微生物培养、生物测定、次生代谢物提取和色谱分析是抗菌药物发现的标准流程，但标准培养方法可能限制了诺卡氏菌属物种的分离，因为土壤样本中链霉菌属占主导。微生物扩散室等新技术的应用，发现了新的诺卡氏菌物种和对多药耐药革兰氏阳性菌有活性的新西曲菌素（neocitreamicins）。
标准培养基只能诱导菌株产生部分编码的化学多样性，为解决这一问题，研究人员开发了创新方法，如使用低浓度化学诱导剂模拟环境条件，以促使细菌产生新代谢物。诺卡氏菌主要生活在土壤中，在资源竞争环境下可能产生抗菌剂保护自身，已有研究利用亚 MIC 水平的抗生素和其他微生物源天然产物成功诱导放线菌产生新次生代谢物，但该方法在诺卡氏菌属中的应用相对较少。
土壤中植物会分泌化合物，部分诺卡氏菌存在于植物根际。研究表明，链霉菌可通过抑制致病微生物促进植物健康，并对植物产生的代谢物如吲哚 - 3 - 乙酸有反应，土壤中的甾醇也可诱导链霉菌的次生代谢。这些诱导方法在诺卡氏菌属中有待进一步探索。
共培养是另一种诱导化合物产生的方法，与含分枝菌酸的细菌（如冢村菌属 Tsukamurella 或棒状杆菌属 Corynebacterium）共培养可诱导放线菌产生隐秘代谢物，但分子机制尚不清楚，在诺卡氏菌属中的效果也不确定。与真核细胞共培养在链霉菌中发现了多种新代谢物，在诺卡氏菌属中虽处于早期探索阶段，但已诱导出多种未知化合物，为研究诺卡氏菌感染发病机制中次生代谢物的潜在作用提供了线索。不过，诱导和共培养方法实验规模大、耗时长，更适合与现代基因分析结合使用。
- 基于遗传学的方法：基因组挖掘是识别新型生物合成途径及其产物的有力策略，通过生物信息学工具（如 antiSMASH、PRISM）分析细菌基因组，可识别和优先研究有前景的 BGCs。但仅识别 BGCs 还不够，需产生相应代谢物才能建立途径与产物的联系。
基因组挖掘结合同源重组基因失活，可用于确定诺卡氏菌属中那真霉素等的生物合成途径。研究发现，敲除那真霉素途径可改变代谢通量，产生新的四羟基萘。转座子诱变结合基因组挖掘可克服靶向基因缺失的困难，用于确定新分子萜霉素（terpenomycin）的生物合成途径，萜霉素与巴弗洛霉素结构相关，具有显著细胞毒性和抗真菌活性，尤其对丝状真菌有效。
CRISPR - Cas 基因组编辑工具在链霉菌中应用广泛，但在诺卡氏菌属中的大规模应用较少。近期有研究成功利用为链霉菌开发的 CRISPR 工具敲除诺卡氏菌属基因，如在那真霉素途径缺失突变体中过表达途径调节子产生新分子 NOC - IBR2，再用 CRISPR - Cas 编辑删除调节子确认其作用，进一步开发和应用该系统将有助于发现新抗菌剂。
异源表达也是表征 BGCs 的重要方法，将目标 BGCs 转移并在模式宿主（如链霉菌属）中表达，可激活沉默的 BGCs。如利用转化关联重组（TAR）克隆和在天蓝色链霉菌（Streptomyces coelicolor）中的异源表达，成功激活巴西诺卡氏菌的 II 型聚酮合酶（PKS）BGC，产生抗葡萄球菌抗生素巴西醌 B（brasiliquinone B）。
体外表达系统利用全细胞裂解物或纯化蛋白及生物合成前体在体外产生细菌次生代谢物，已开发出多种用于链霉菌 BGCs 表达和研究的工具包，还成功重建了致病性诺卡氏菌菌株中的聚酮生物合成途径，产生诺卡菌病相关聚酮（NOCAP），为快速确定未知产物的 BGCs 提供了途径。
人工智能（AI）在生物活性分子发现中发挥着越来越重要的作用，可用于预测化学结构、生物活性，整合基因组和代谢组数据集进行未知物的快速去重和优先级排序。但 AI 模型的准确性依赖于可用数据量，随着诺卡氏菌属及其他放线菌次生代谢物研究的推进，将增强现有模型的预测能力。
结论
诺卡氏菌属虽能产生抗菌剂，但研究程度不及许多放线菌近亲。标准培养技术难以充分挖掘其基因组编码的代谢物，生长缓慢、形态发育复杂和遗传工具有限等因素增加了从诺卡氏菌属中发现新抗菌剂的难度，且部分诺卡氏菌为机会性致病菌，需采取适当生物安全防护措施。
不过，近年来遗传工具取得了重大进展，如 CRISPR - Cas 用于识别 NOC - IBR2、转座子诱变确定萜霉素及其生物合成途径，合成生物学方法也揭示了隐藏化合物（如 NOCAP）。诺卡氏菌属的抗菌潜力大多未被开发，其代谢物独特的结构特征和生物活性表明，未来有望从中发现更多新型抗生素，对解决全球抗生素耐药问题具有重要意义。
