氮-氮（N-N）键结构基团是众多化学合成类药物和活性天然产物的重要药效团，其生物合成机理近年来获得了极大关注，是微生物代谢领域最前沿的科学问题之一（图1）。氧化偶氮类（Azoxy）天然产物含有共同的官能团（RN = N+(O-)R），该家族化合物具有多样化的结构和生活学活性，其中包括苏铁毒素cycasin、真菌抗生素calvatic acid、抗肿瘤和抗菌分子valanimycin、抗结核分子elaiomycin和杀线虫分子jietacin等等（图1）。同时，氧化偶氮分子也已被鉴定为外源的肼或偶氮类xenobiotics（如许多临床药物）在人体内生物转化过程中产生的重要代谢中间产物，其在某些条件下可进一步转化为具有致癌作用的重氮离子。尽管对于氧化偶氮类分子在生物体内的合成代谢机理的研究已经经历了数十年，但其关键氧化偶氮键基团形成的酶学基础仍然是一个谜。

图1 部分含氮-氮（N-N）键基团的活性天然产物（a）及氧化偶氮家族化合物（b）

2023年11月29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和中科院深圳先进技术研究院周佳海课题组合作在国际化学领域旗舰刊物J. Am. Chem. Soc.（《美国化学会志》）上发表了研究论文“Conserved Enzymatic Cascade for Bacterial Azoxy Biosynthesis”。在这项工作中，研究人员以多个微生物来源的氧化偶氮类代谢产物为研究对象，揭示了一种由两个新家族金属酶参与构建氧化偶氮键的保守生物合成策略（图2）。

研究发现，细菌来源的VlmO蛋白是一类新型的膜结合氮-氮键合酶，而VlmB是一类具有双铁中心的氧化偶氮合酶。VlmO和VlmB共同催化了一个由从肼到偶氮，再到氧化偶氮（hydrazine-azo-azoxy）的酶促反应序列，将一个高度不稳定的酯中间体转化为氧化偶氮产物。进一步的基因组大数据挖掘和蛋白活性测定实验结果表明，该合成代谢途径在细菌基因组上广泛存在。该研究成果不仅揭示了长期以来氧化偶氮类天然分子合成代谢的生化基础，而且也为通过基因组挖掘方法精准发现该家族的新活性化合物提供了基因标记。

图2 微生物中一种保守的氧化偶氮基团的生物合成策略

本文的共同第一作者为浙江大学基础医学院杜艺岭课题组的博士生史晶坤和中国科学院深圳先进技术研究院周佳海课题组的臧鑫，通讯作者为浙江大学基础医学院微生物系/附属第四医院杜艺岭和中科院深圳先进技术研究院周佳海。该工作受到国家自然科学基金委项目和国家重点研发计划项目等的支持。

课题组简介

浙江大学基础医学院杜艺岭课题组的研究方向为微生物次级代谢的遗传与生化机理；微生物药源分子发现、生物合成研究与合成生物学制造；新颖生物合成酶家族的结构、功能与催化机理研究等。近年来，课题组多次在《Nature Chemical Biology》、《Nature Communications》、《J. Am. Chem. Soc.》和《Angew. Chem. Int. Ed.》等权威杂志上发表研究论文。现因工作需要，诚招微生物合成生物学、微生物天然药物化学和结构生物学等背景的博士后与技术员，欢迎邮件咨询（yldu@zju.edu.cn）。