口腔微生物组中异源生物合成协同代谢产物在龋齿生物膜形成中的关键作用

这篇研究揭示了口腔致病菌（如变形链球菌S. mutans）通过独特的聚酮-非核糖体肽杂合基因簇（PKS-NRPS）产生两种结构迥异的代谢产物mutanoclumpins（MC-584和MC-586），二者通过罕见的双代谢物协同机制促进生物膜形成。研究结合宏基因组分析和化学遗传学手段，首次阐明了这类特殊代谢物通过物理化学结合模式调控细胞聚集形态，为龋齿防治提供了新靶点。

　　

微生物组分析揭示mcg基因簇与龋齿的关联

研究团队通过分析3组不同年龄段的龋齿患者口腔宏基因组数据，发现一个编码聚酮-非核糖体肽杂合合成酶（PKS-NRPS）的基因簇mcg与龋齿状态显著相关。该基因簇在117株测序的变形链球菌基因组中广泛存在，且在龋齿样本中的表达量比健康样本高7个数量级。cblaster基因组挖掘显示，mcg同源基因簇还存在于其他链球菌、瘤胃球菌和梭菌中，暗示其重要的生态功能。

突变团块素的发现与结构解析

通过构建mcgB基因敲除株（ΔmcgB）并进行高分辨质谱比较分析，研究者鉴定出两个主要代谢产物MC-584（1）和MC-586（2），其分子量分别为584.3347和586.3504 Da。核磁共振解析显示，1是由脂肪酸尾、苯丙氨酸片段、谷氨酸甲酯和2-吡咯烷酮构成的独特大环结构，而2则是线性结构，两者差异在于C10-C11键的断裂。有趣的是，1总是以1:1比例产生两种立体异构体（1a/1b），而2和次要产物MC-602（3）则存在羟基化修饰。

divergent生物合成路径的化学逻辑

生物信息学分析表明，mcg基因簇通过脂肪酸-AMP连接酶McgI激活癸酸，经三模块PKS-NRPS（McgA）延伸酮基单元后，以非典型的γ-羧基活化方式连接L-苯丙氨酸和L-谷氨酸。关键发现是同一套合成酶能通过终端还原酶（R）域调控复杂的反应级联：先形成醛中间体（5），经醛醇缩合生成五元内酰胺环（6），随后通过迈克尔加成或直接还原分别生成大环1和线性2。同位素标记实验证实，L-丝氨酸的C-3位氘原子在终产物中保留，而C-2位氘则在脱水步骤丢失。

双代谢物协同促进生物膜形成

表型实验显示，ΔmcgB在含葡萄糖培养基中丧失生物膜形成能力，而同时添加8 μM的1和2可完全恢复表型。扫描电镜观察到：1主要结合细胞膜并诱导三维团块聚集，2则分布于细胞壁和膜间并促进长链形成。这种"团块+链式"的协同作用在生理浓度下才能生效，单独使用双倍浓度任一化合物均无效。值得注意的是，mutanoclumpins对邻近口腔菌株呈现差异化调控——显著抑制血链球菌（S. sanguinis）生物膜，却促进口腔链球菌（S. oralis）的聚集。

独特的结合模式与生态意义

亚细胞分级实验揭示，1与细胞膜强力结合可耐受多次洗涤，而2则较易解离。这种差异结合特性导致：1处理组细胞形成紧密团簇（类似龋损中的微菌落），2处理组则延长细胞链（增强机械稳定性）。RNA-seq分析排除了其对已知生物膜调控基因（如gtfB、gbpA）的影响，表明其直接通过物理化学机制发挥作用。研究还发现，产生mutanoclumpins的菌株与产mutanofactin的菌株存在基因组互斥现象，暗示链球菌进化出不同代谢策略来实现相似生态功能。

该研究不仅首次揭示了口腔微生物通过"代谢物对"协同调控致病性生物膜的机制，其发现的divergent生物合成路径也为天然产物工程提供了新思路。这些发现为开发针对龋齿生物膜的特异性抑制剂奠定了分子基础。