Angew. Chem. ：微生物源硝胺天然产物N-nitroglycine 的生物合成研究

硝基化合物具有广泛的结构多样性和丰富的化学性质，在药物研发、染料合成、精细化工以及高能材料等多个领域都有不可替代的应用价值。迄今为止，自然界中已鉴定的天然硝基化合物超过300种，比如广谱抗菌药物氯霉素（chloramphenicol），抗HIV病毒的抗生素金链菌素（aureothin）和植物毒素thaxtomin A等。这些天然硝基化合物以含C-硝基结构单元为主，而含N-硝基单元的天然产物非常罕见。目前报道的天然N-硝基化合物仅有五种，N-nitroglycine（NNG）是唯一来源于细菌的天然N-硝基化合物。研究表明，多种微生物种属中含有血红素依赖的氧化酶NnlA，可以催化NNG的降解。但是，NNG及其它含N-硝基天然产物在生物体内的合成途径仍然是未知的。

为了探究NNG中N-硝基单元的来源，首先采用同位素前体标记实验，喂养可能的N¹⁵-标记前体，通过分析并比较发酵产物中不同氮原子N¹⁵含量，证实NNG在生物体内的合成前体是甘氨酸和赖氨酸，其中硝基氮原子来源于赖氨酸而非前人推测的精氨酸。在此基础上，通过全基因组测序和生物信息学分析、目标基因簇异源表达并结合基因失活实验，明确了NNG的生物合成基因簇。意外的是NNG的基因簇与另一种结构中含有丝氨酸的重氮化合物azaserine的生物合成基因簇具有很高的同源性。

体内和体外结果表明，NNG的结构中虽然不包含丝氨酸结构，但其生物合成仍然依赖非核糖体肽合成酶，催化丝氨酸的活化并与腙中间体HYAA-PCP缩合形成HDA-Ser中间体。我们推测N-硝基单元的合成是通过装配线上HDA-Ser-PCP中腙单元（-CH=N-NH₂）的直接氧化产生而非N-硝化作用。根据体内基因敲除实验，并结合生物信息学分析结果，可以推测非血红素双铁依赖的N-氧化酶NngH和细胞色素P450酶NngS催化N-硝基单元的合成；而水解酶NngE和NngA是负责产物从装配线上释放以及丝氨酸单元的脱除。

该研究通过NNG的生物合成途径研究，发现了一种特殊的非核糖体肽合成酶依赖的N-硝基化合物的生物合成过程。生物信息学分析表明，77个不同菌属的微生物中，含有与NNG生物合成基因簇具有较高同源性的未知基因簇。本研究不仅为通过基因组挖掘的策略发现新的硝胺和重氮化合物奠定了基础，同时，也有望推进新型氨基氧化酶的发现并实现N-硝基化合物的酶促合成。

论文信息

Nitramine Formation via a Cryptic Non-Ribosomal Peptide Synthetase-Dependent Strategy in N-Nitroglycine Biosynthesis

Yun Wang, Jiangtao Zhang, Dr. Ran Shi, Siyuan Zhou, Prof. Shigui Chen, Dr. Ruofei Li, Dr. Wei Huang, Prof. Hai-Yan He

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202507866