基于基因组挖掘技术，从与白蚁相关的Micromonospora sp. RB23菌株中发现了Pyrrolomycin K和L两种化合物

《Journal of Natural Products》：Genome-Mining Based Discovery of Pyrrolomycin K and L from the Termite-Associated Micromonospora sp. RB23

自然产物开发基于生态学见解和基因组挖掘，本研究通过宏基因组学分析发现白蚁伴生菌Micromonospora sp. RB23携带新型聚酮合酶基因簇（mcs），并鉴定出两种新型吡咯莫菌素衍生物：N-甲基吡咯莫菌素K和N-乙酰半胱氨酸结合的吡咯莫菌素L。通过LC-HRMS/MS和NMR光谱解析其结构，并验证其抗微生物活性及可能的解毒机制。

　　在自然界中，共生微生物仍然是获取结构多样且具有生物活性化合物的重要来源。本研究聚焦于一种与白蚁共生的微生物——*Micromonospora* sp. RB23，通过从头（de novo）基因组测序和基因簇挖掘，发现该菌株能够产生具有潜在抗菌活性的化合物。研究揭示了该菌株中编码五种卤化酶的I型聚酮合酶（T1PKS）基因簇，这些卤化酶可能参与生成类似吡咯霉素的抗菌化合物。通过质谱分析构建的分子网络，成功识别并分离出*N*-甲基化的吡咯霉素K和含硫修饰的吡咯霉素L。结构解析则依赖于液相色谱高分辨率串联质谱（LC-HRMS/MS）以及一维和二维核磁共振（NMR）技术。通过评估抗菌活性，我们推测吡咯霉素中的*N*-甲基化和基于微生物硫醇的共轭可能是其自我耐受性的潜在机制。

微生物共生系统在天然产物研究中扮演着重要角色，尤其是在某些生态位中，微生物不仅提供抗生素，还通过与宿主的相互作用帮助维持生态平衡。例如，某些昆虫如火虫（*Pyrrhocoris apterus*）和欧洲熊蜂（*Philanthus*）的幼虫受到共生的*Streptomyces*菌株保护，防止真菌感染。类似的，菌丝培养的蚂蚁（*Attini*）携带的*Pseudonocardia*菌株也能够抵御特定的寄生虫。近年来，关于粪金龟（*Copris tripartitus*）的研究也表明，它们在产卵过程中会利用共生的*Streptomyces*来保护后代。因此，微生物共生关系不仅有助于宿主的生存，也为天然产物的发现提供了丰富的资源。

在白蚁共生体系中，*Micromonospora*类微生物通常存在于白蚁肠道及其培养的真菌群落中，以保护白蚁与它们的共生真菌——*Termitomyces*。已有研究表明，这些微生物在维持真菌共生状态方面发挥重要作用。因此，本研究选择深入分析与白蚁共生的*Micromonospora* sp. RB23，以探索其抗菌活性的潜在来源。通过生成高质量的从头基因组序列，我们对该菌株的生物合成基因簇（BGC）进行了全面分析，并提出了一个假设，即卤化吡咯类化合物可能是其抗菌活性的关键。

基因组测序显示，*Micromonospora* sp. RB23的基因组大小为6.8 Mb，GC含量为71.8%。通过与*Termitomyces* sp. T153以及共生的*Xylaria* sp. X802进行共培养实验，观察到RB23对这两种真菌具有一定的抑制作用。进一步的基因组分析发现，该菌株含有约16个可能涉及天然产物合成的BGC区域，其中七个与萜类或其前体有关，三个编码聚酮合酶（PKS），一个则包含非核糖体肽合酶（NRPS）。在这些基因簇中，我们特别关注到一个编码T1PKS的BGC（*mcs*），它包含五种不同类型的黄素依赖性卤化酶（FDHs），这些基因可能与化合物的卤化修饰有关。

通过比较分析，该BGC与已知的吡咯霉素（*pyr*）、海洋吡咯霉素（*mpy*）、假单胞菌产生的吡洛特菌素（*plt*）以及非诺莫菌产生的吡拉莫西林（*prl*）具有一定的相似性。然而，由于基因簇结构的差异，我们推测RB23可能生成结构上有所变化的未报道代谢产物。这些发现不仅扩展了我们对吡咯霉素类化合物的认知，还揭示了其在共生系统中的潜在功能。

在代谢物筛选过程中，我们通过固相萃取和液相色谱高分辨率质谱（LC-HRMS/MS）对RB23的代谢产物进行了分析。通过GNPS平台构建的分子网络，我们发现了多个具有卤素特征的分子离子峰，并进一步确认了其中两种化合物——吡咯霉素K和吡咯霉素L。其中，吡咯霉素K被鉴定为一种含有三个氯原子的*N*-甲基化化合物，而吡咯霉素L则表现出与*N*-乙酰半胱氨酸相关的硫醇修饰。通过NMR分析，我们确认了这两种化合物的结构特征，并发现它们在生物活性方面存在显著差异。尽管吡咯霉素K表现出一定的抗菌活性，但吡咯霉素L的活性则相对较低，这提示我们*N*-甲基化和硫醇修饰可能在提高自身耐受性方面起到关键作用。

从生物合成的角度来看，我们推测*Micromonospora* sp. RB23的吡咯霉素合成路径可能涉及多个步骤，包括卤化、甲基化以及硫醇修饰。通过分析该菌株的基因簇，我们发现其中包含多个与卤化相关的基因，这些基因可能在生成卤化吡咯骨架方面起关键作用。此外，基因簇中还存在一种可能参与甲基转移的酶，这提示我们*N*-甲基化可能是在后期修饰过程中发生的。同时，我们还发现了一种可能与硫醇修饰相关的基因，这可能与自体解毒机制有关。这些修饰可能帮助微生物在共生环境中减少自身产生的化合物对自身的毒性影响，从而提高其在复杂生态系统中的生存能力。

研究还表明，卤化修饰在增强化合物的生物活性方面具有重要作用。许多已知的抗生素和抗菌剂都含有卤素原子，如万古霉素、雷贝拉挫和吡咯尼丁等。卤素的引入不仅影响化合物的结构多样性，还可能改变其与细胞膜的相互作用方式，从而影响抗菌效果。在本研究中，我们发现*Micromonospora* sp. RB23的代谢产物中存在不同数量的氯原子，这种差异可能与生物合成路径中的不同修饰步骤有关。此外，我们还检测到一种可能由硫醇修饰生成的化合物，这为理解微生物如何通过化学修饰来适应共生环境提供了新的视角。

本研究的结果不仅丰富了我们对吡咯霉素类化合物的了解，还揭示了共生微生物在化学修饰和自我保护机制方面的复杂性。通过基因组分析和代谢物鉴定，我们发现这些微生物能够通过卤化、甲基化和硫醇修饰等多种方式生成具有抗菌活性的化合物。这些修饰可能帮助微生物在共生系统中维持其自身耐受性，同时为宿主提供有效的抗菌保护。未来的研究可以进一步探索这些修饰的机制，以及它们在其他共生体系中的潜在应用价值。