微生物能够产生活性和结构多样的小分子代谢物用于其防御和致病等生理过程。同时，这些小分子及其衍生物也是人类临床药物的重要来源之一，它们展现出了良好的抗菌、抗病毒和抗肿瘤等活性。在长期的进化过程中，微生物演化出了众多精妙的生物合成途径用于将简单的初级代谢产物（氨基酸和乙酰辅酶A等）转化为复杂的活性次级代谢分子（如抗生素和致病因子等）。深入揭示重要病原与医药微生物中关键代谢产物生物合成的遗传与生化机理，可以为病原微生物的防治和新抗生素的研发提供新靶点和新策略。

氮元素是生命的第四大元素（碳、氢、氧、氮），其是蛋白质、核酸以及其他数目众多的含氮代谢物的重要结构组分。传统观点认为氮循环（nitrogen cycle）中的无机氮素（硝酸盐和亚硝酸盐等）需先转化为氨（NH3）后才能被同化进入生物体的有机含氮分子中。联氨（H2N-NH2或N2H4）不仅是一种广泛使用的火箭和人造卫星的燃料，同时也是制药和化工行业中常用的有机合成前体。20世纪90年代，联氨（N2H4）作为氮循环中细菌氨厌氧氧化过程（anammox）的中间体在自然界首次被发现。然而，联氨（N2H4）在生物有机代谢过程中的角色和功能依然未知。

2024年5月2日，浙江大学基础医学院微生物系/附属第四医院杜艺岭课题组在国际化学领域旗舰刊物《J. Am. Chem. Soc.》（《美国化学会志》）上发表了题为“Discovery of a bacterial hydrazine transferase that constructs the N-aminolactam pharmacophore in albofungin biosynthesis”的研究论文。在这项工作中，研究人员首次发现微生物能够利用氨基酸作为代谢前体合成联氨（N2H4），并将其用于抗生素关键活性基团的生物合成。

白真菌素（albofungin）是一种放线菌来源的强效广谱抗生素，其独特的N-氨基内酰胺结构基团（N-aminolactam）对其生物活性至关重要，是它的关键药效团。在本研究中，研究人员综合微生物遗传学与生物化学、合成生物学以及分析化学等多学科的技术手段，首次揭示了白真菌素的N-氨基内酰胺活性弹头形成的生物化学机理。研究人员首先利用DNA大片段捕捉技术将单霉素链霉菌（Streptomyces monomycini）基因组上一段编码了白真菌素生物合成基因簇的DNA大片段（～78kb）转移至通用的链霉菌细胞工厂（Streptomyces albus）中，实现了白真菌素的异源高效合成。随后，研究人员对该基因簇（共58个基因）内10余个可能参与N-氨基内酰胺组装的基因进行了逐个敲除，并对相关的基因突变株进行了系统的代谢物分析和新产物结构鉴定。进一步的同位素示踪和蛋白功能表征实验显示该生物合成基因簇内编码了一条潜在的新型联氨（N2H4）生物合成途径。该途径以丙氨酸和赖氨酸作为氮原子前体，将以上两种氨基酸通过氮-氮键（N-N）连接后再移除全部碳骨架得到N2H4（图1）。随后，研究人员还从基因簇内鉴定了自然界首个能够同化N2H4的蛋白组件-联氨转移酶。该酶催化了N2H4和聚酮中间体的缩合反应形成了白真菌素的N-氨基内酰胺活性弹头。

图1 白真菌素的生物合成基因簇及其途径中间体联氨的合成和利用过程

综上，本研究首次解析了广谱抗生素白真菌素的关键药效团的合成代谢机理，首次发现了联氨（N2H4）能够作为代谢前体参与生物有机代谢过程，并鉴定了首个能够利用联氨的蛋白组件（联氨转移酶）和一条潜在的新型联氨生物合成途径。

浙江大学基础医学院杜艺岭课题组博士后李伟为本论文的第一作者，浙江大学基础医学院杜艺岭研究员为本论文的通讯作者。该工作受到国家自然科学基金委项目（32122005和32370051）的支持。