基因组挖掘引导发现新型氨基香豆素取代的红霉素类抗生素——香豆红素

本研究通过基因组挖掘策略，在放线菌Lentzea tibetensis中发现了一种新型红霉素类抗生素香豆红素（coumarubrin）。研究人员针对红霉素家族结构多样性有限的问题，利用生物信息学预测结合实验验证，成功鉴定了该化合物独特的氨基香豆素（aminocoumarin）取代特征。HRMS和NMR等分析证实其结构为红霉素CA1骨架与氨基香豆素通过酰胺键连接，ECD光谱显示其与已知红霉素具有相同绝对构型。该发现拓展了红霉素家族的结构多样性，其显著抗革兰氏阳性菌活性（对B. subtilis和M. luteus的MIC为0.25μM）为新型抗生素开发提供了候选分子。研究发表于《Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology》。

　　

在微生物天然产物研究领域，红霉素类（rubromycins）化合物因其独特的螺旋缩酮（spiroketal）药效团和显著的生物活性备受关注。这类由放线菌产生的芳香聚酮化合物（aromatic polyketides）具有广谱抗菌和抗肿瘤特性，其作用机制多与核酸相关酶（如DNA解旋酶、端粒酶）的抑制有关。然而，自1953年首个红霉素被发现以来，尽管已鉴定21种结构类似物，但其结构多样性主要局限于甲基化模式、氧化状态以及C1'位的小分子取代（如甲基、羧酸甲酯或C5N环），严重限制了该家族化合物的开发潜力。

瑞士巴塞尔大学的研究团队独辟蹊径，通过基因组挖掘（genome mining）技术对放线菌生物合成基因簇（BGC）进行系统性分析，重点关注可能催化新型取代基连接的酰胺键合成酶（ABS）。研究人员发现Lentzea tibetensis菌株的BGC中同时存在红霉素合成基因和氨基香豆素生物合成基因，但缺乏已知C5N单元合成所需的5-氨基乙酰丙酸合成酶（5-ALAS）和酰基辅酶A连接酶（ACL），暗示该菌可能产生结构全新的红霉素衍生物。这一发现最终引领团队成功分离鉴定出首个氨基香豆素取代的红霉素——香豆红素（7），其结构特征通过HRMS、多维NMR和ECD光谱得到充分证实。该成果发表于《Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology》，为天然产物结构改造和新型抗生素开发提供了创新思路。

研究采用的关键技术包括：1）基于CAGECAT和antiSMASH 6.0的基因组挖掘预测BGC；2）L. tibetensis DSM 104975菌株的优化培养与代谢产物提取；3）甲基化修饰结合硅胶/HPLC多步纯化策略；4）HRMS/MS和NMR（含¹H, ¹³C, HSQC, HMBC, COSY）结构解析；5）电子圆二色（ECD）光谱测定绝对构型；6）CLSI标准下的最小抑菌浓度（MIC）测定。

【生物信息学预测发现新型BGC】
通过比较基因组分析，研究团队在L. tibetensis中发现一个独特的红霉素BGC，其编码的ABS与hyaluromycin产生菌相似度达52.9%，但相邻基因预测可合成氨基香豆素而非C5N单元。这一发现首次揭示红霉素与氨基香豆素生物合成途径的潜在关联。

【香豆红素的结构解析】
从800 mL培养液中仅获得约1.0 mg目标化合物，其极端难溶性促使研究人员开发DMS甲基化策略，成功获得三种衍生物（8-10）。NMR数据显示关键HMBC相关性：H-10与C1'（δ_C 165.3）证实酰胺键连接，而H-6'-H-9'的芳香质子网络与C5a'（δ_C 155.8）的相关性支持氨基香豆素骨架。值得注意的是，该氨基香豆素缺少传统7'-OH（如新生霉素），暗示其可能源于苯丙氨酸而非酪氨酸，这一推测被NRPS-like酶NovH的底物特异性预测进一步支持。

【绝对构型与生物活性】
ECD光谱在225 nm和260 nm处分别显示正、负Cotton效应，与红霉素CA1（5）等已知S-构型化合物一致，证实其螺旋缩酮空间排列相同。MIC实验显示7对革兰氏阳性菌（B. subtilis和M. luteus）具有强抑制活性（0.25 μM），但对革兰氏阴性菌和酵母无效，这一选择性可能源于其大体积取代基对细胞膜穿透性的影响。

该研究通过创新性的基因组挖掘策略，将红霉素结构多样性拓展至氨基香豆素取代的新领域。香豆红素的发现不仅证实了ABS酶在天然产物结构改造中的关键作用，其独特的"杂合"结构更为设计双靶点抗生素（可能同时抑制DNA相关酶和促旋酶）提供了模板。从技术层面看，针对难溶性聚酮开发的甲基化-NMR联用策略为类似物研究建立了范例。尽管产量限制和溶解性问题仍需解决，这项工作无疑为70年历史的红霉素研究注入了新的活力，展现出基因组时代天然产物发现的巨大潜力。