抗菌性Trioxacarcin 1,2-二羟基蒽醌类化合物来自从无刺蜂Tetragonula carbonaria中分离的链霉菌属（Streptomyces sp.）127Q菌株

《Biomolecules》：Antimicrobial Trioxacarcin 1,2-Dihydroxyanthraquinones from the Bacterium Streptomyces sp. 127Q Isolated from the Stingless Bee Tetragonula carbonaria

　　

与蜜蜂相比，澳大利亚无刺蜂Tetragonula carbonaria对微生物病原体表现出较强的抵抗力。从T. carbonaria中分离的链霉菌属（Streptomyces sp.）127Q菌株抑制了Lysinibacillus sphaericus的生长，这是唯一报道影响T. carbonaria的微生物。研究人员通过生物活性指导分离，使用乙酸乙酯萃取和Diaion HP20色谱法，随后进行反相高效液相色谱（HPLC）分级，从Streptomyces sp. 127Q中纯化了抗菌物质。通过高分辨质谱（HR-MS）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、核磁共振波谱（NMR）和基因组挖掘，将这些抗菌化合物鉴定为具有1,2-二羟基蒽醌芳香核心结构的三氧杂环丙烷/古廷霉素（trioxacarcin/gutingimycin）家族的新成员。之前在三氧杂环丙烷A（trioxacarcin A）与寡核苷酸的结晶实验中观察到一种带有1,2-二羟基蒽醌部分的密切相关的古廷霉素（gutingimycin）。Streptomyces sp. 127Q产生多种三氧杂环丙烷/古廷霉素。在三氧杂环丙烷产生初期，Streptomyces sp. 127Q似乎迅速将三氧杂环丙烷环氧化物与水、鸟嘌呤和烟酸反应。1,2-二羟基蒽醌三氧杂环丙烷类化合物，即三氧杂环丙烷692（trioxacarcin 692）和三氧杂环丙烷780（trioxacarcin 780），抑制L. sphaericus的最低抑菌浓度（MIC）分别为37.5 μM和75 μM。对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的MIC分别为75 μM和150 μM。在光抗菌筛选中，三氧杂环丙烷692对E. coli和S. aureus的MIC降低了8倍，三氧杂环丙烷780降低了4倍。光预处理后，三氧杂环丙烷692（9.4 μM）抑制E. coli和S. aureus的浓度与已建立的抗生素环丙沙星（ciprofloxacin）和万古霉素（vancomycin）相当。淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae）仅在光预孵育后以约18.8 μM的MIC被抑制。1,2-二羟基蒽醌三氧杂环丙烷类化合物构成了属于三氧杂环丙烷/古廷霉素家族的有效抗菌化合物。

**论文解读：从无刺蜂Tetragonula carbonaria分离的链霉菌属127Q菌株产生的抗菌性Trioxacarcin 1,2-二羟基蒽醌类化合物**

**研究背景与意义**

微生物耐药性已成为全球性健康威胁，每年导致约500万人死亡，世界卫生组织将其视为严峻的未来健康问题。因此，寻找新型抗生素迫在眉睫。微生物产生的次级代谢产物是抗生素的重要来源，但已知化合物的重复发现阻碍了新先导化合物的鉴定。新策略包括探索未充分研究环境中的微生物及其与宿主的共生关系。昆虫共生微生物因能提供营养、影响生命周期并保护宿主免受病原体侵害而备受关注。与蜜蜂（honeybees）不同，澳大利亚无刺蜂Tetragonula carbonaria对常见蜂病表现出显著抵抗力，其唯一已知病原体是Lysinibacillus sphaericus。研究人员推测与T. carbonaria相关的微生物可能贡献了这种抵抗力，并可能为保护蜜蜂或人类提供新型抗菌化合物。因此，本研究从T. carbonaria中分离了链霉菌属（Streptomyces sp.）127Q菌株，旨在鉴定其抗菌次级代谢产物。该论文发表在《Biomolecules》。

**主要技术方法**

研究人员从位于澳大利亚布里斯班的一个驯化蜂巢中分离了Streptomyces sp. 127Q菌株（样本来源：T. carbonaria蜂巢）。采用生物活性指导分离策略：首先用乙酸乙酯萃取发酵上清液，再用Diaion HP20树脂吸附残留活性成分，继而通过反相中压液相色谱（MPLC）和半制备高效液相色谱（HPLC）纯化活性化合物。结构鉴定综合运用了高分辨质谱（HR-ESI-MS）、紫外-可见光谱（UV-Vis）和核磁共振波谱（NMR，包括1H、13C、COSY、HSQC、HMBC、ROESY）。基因组测序后利用antiSMASH软件预测生物合成基因簇（BGC），并通过clinker进行比对。抗菌活性通过微量肉汤稀释法在96孔板中测定，包括光激活实验（λ=465 nm + 620 nm，60 min预照光）。

**研究结果**

**3.1 生物活性指导纯化与鉴定**
研究人员发现Streptomyces sp. 127Q的粗提物对L. sphaericus和Paenibacillus alvei有抑菌活性，但乙酸乙酯萃取不完全，需结合Diaion HP20树脂吸附。从12 L发酵液中纯化得到化合物1（三氧杂环丙烷780，3.8 mg）和化合物2（三氧杂环丙烷692，1.6 mg）。通过NMR、HR-MS和UV-Vis分析，确定化合物1和2具有1,2-二羟基蒽醌（1,2-dihydroxyanthraquinone）芳香核心，属于三氧杂环丙烷/古廷霉素（trioxacarcin/gutingimycin）家族的新成员。化合物1在C17位带有烟酸酯（nicotinic acid ester）部分，而化合物2在此位点为羟基。通过水解实验证实了烟酸的存在。此外，从Streptomyces sp. 127Q中纯化了古廷霉素A（gutingimycin A，7），其旋光度和NMR数据与已知报道一致，由此推断化合物1和2的立体化学与古廷霉素A相同。

**3.2 烟酸掺入三氧杂环丙烷**
研究发现，即使在缺乏烟酸（nicotinic acid）的R2培养基中，Streptomyces sp. 127Q也能产生含烟酸的三氧杂环丙烷780，表明该菌株可自身合成烟酸用于掺入。在R5A培养基（含酵母提取物，提供烟酸）中产量最高，补充烟酸或色氨酸（tryptophan）可提高产量。

**3.3 三氧杂环丙烷和古廷霉素的多样性**
通过LC-UV-Vis、LC-MS和分子网络分析（GNPS），研究人员发现Streptomyces sp. 127Q产生多种三氧杂环丙烷/古廷霉素衍生物，包括环氧化物开环产物（如古廷霉素A、B、C等）和1,2-二羟基蒽醌类化合物（如三氧杂环丙烷692、780、608等）。部分化合物含有烟酸或鸟嘌呤（guanine）加成产物。时间进程实验表明，三氧杂环丙烷780、692和1000在培养第7天已出现，且浓度逐渐增加；而含环氧化物的三氧杂环丙烷仅痕量存在，提示其被快速转化。

**3.4 三氧杂环丙烷生物合成基因簇**
Streptomyces sp. 127Q的三氧杂环丙烷BGC（登录号PZ363022）包含52个开放阅读框，与S. bottropensis DO-45的BGC（56个基因）有80%同源性，但缺少5个基因（txnRg1、txnP1、txnRg6、txnO3、txnB9），多出一个未知功能基因。这些缺失可能影响糖基转移、调节和氧化修饰，从而解释产物谱差异。

**3.5 三氧杂环丙烷的抗菌活性**
三氧杂环丙烷692（2）和780（1）对L. sphaericus的MIC分别为37.5 μM和75 μM。在黑暗条件下，对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的MIC分别为75 μM（2）和150 μM（1）。光预处理（1小时）后，活性显著增强：三氧杂环丙烷692对E. coli和S. aureus的MIC降低8倍至9.4 μM，与环丙沙星和万古霉素相当；三氧杂环丙烷780降低4倍至37.5 μM。淋病奈瑟菌（N. gonorrhoeae）仅在光激活后被三氧杂环丙烷692抑制（MIC约18.8 μM）。时间依赖实验表明，部分抑制效果在20小时后有所减弱，但光激活后大多数菌株的抑制效果保持稳定。

**讨论与结论**

研究人员在讨论中指出，1,2-二羟基蒽醌三氧杂环丙烷缺乏环氧化物（epoxide）部分，因此其抗菌机制可能不同于已知的三氧杂环丙烷（后者通过环氧化物与DNA结合）。光激活活性归因于蒽醌结构促进活性氧（ROS）生成，这一机制与茜素（alizarin）等类似化合物一致。烟酸掺入反应可能是一种抗性机制或产物多样化策略。Streptomyces sp. 127Q在富含蔗糖的R5A和R2培养基中产三氧杂环丙烷，可能适应了其蜜蜂宿主的高糖环境。与S. bottropensis DO-45相比，BGC差异（如缺少糖基转移酶TxnB9）导致1,2-二羟基蒽醌产物的形成以及环氧化物快速转化。研究结论翻译如下：从昆虫（如澳大利亚无刺蜂T. carbonaria）分离的微生物是强效新型抗菌化合物的有前景来源。这些抗菌化合物可能支持昆虫宿主抵抗微生物感染，并为保护蜜蜂和人类提供保护。Streptomyces sp. 127Q产生多种三氧杂环丙烷、古廷霉素和三氧杂环丙烷1,2-二羟基蒽醌。这些化合物的环氧化物前体被认为高度反应性，因为它们同时含有反应性环氧化物和诱导ROS的蒽醌部分。然而，三氧杂环丙烷环氧化物与水或烟酸的反应产物（如三氧杂环丙烷692和780）强烈抑制E. coli和S. aureus的生长。通过与S. bottropensis DO-45的BGC相比，Streptomyces sp. 127Q可能利用其BGC的少数变化，产生了多种先前未知的抗菌三氧杂环丙烷/古廷霉素，这可能是针对多种潜在微生物竞争者的有效策略。