通过化学捕获偶氮代谢物揭示生物合成的腙氧化反应

为什么不稳定分子对我们很重要

化学家早已知道，一些最有效的药物和工业试剂往往也是最脆弱的。它们分解得如此之快，以至于在自然界中找到它们就像在风暴中追赶肥皂泡。本研究处理的一类短暂分子称为偶氮化合物，这类分子由微生物产生，既能破坏细胞也能驱动有用的化学反应。研究者发明了一种能在这些不稳定分子一出现就“捕捉”它们的方法，从而在一种人类肺部病原体中发现了新的化学反应，并揭示出一种可能成为制造有价值试剂的绿色工具的酶。

来自微小微生物的隐蔽武器

微生物是微型化工厂。它们合成的许多化合物中包括含偶氮基团的天然产物，这些分子携带一对准备分裂释放能量的氮原子。这种反应性使它们能够攻击生物靶标，产生抗生素和抗癌活性，同时也使它们成为合成化学实验室中备受青睐的试剂。然而，已知的天然偶氮化合物只有几十种。研究团队对基因数据的调查发现了数百个看起来有能力合成偶氮分子的微生物基因簇，分布在土壤细菌、海洋微生物和病原体中。基因潜力与已知化合物数量之间的不匹配表明，许多偶氮分子仍未被发现，很可能是因为它们对于依赖分离稳定、丰度高产物的常规发现方法来说太不稳定了。

用化学钩子捕捉短暂分子

为了解决这个问题，研究者颠覆了传统的筛查策略。他们不再问一种微生物提取物是否能杀死癌细胞或细菌，而是询问其代谢物是否具有某种特定的化学反应性。他们设计了一种基于受张力的环状炔烃的小型探针分子，它能选择性且快速地与偶氮基团反应，形成更稳定的环状产物——吡唑。与微生物培养液混合时，这个探针就像一个化学钩子：如果存在任何偶氮化合物，探针会结合并将其转化为更重、更易检测的产物。借助灵敏的质谱和比较代谢组学，团队将加入探针后立即取样与孵育过夜的样品进行比较。随时间显著增长并显示探针产物特征性双峰模式的信号标记出隐藏的偶氮代谢物。

来自肺部病原体的新型反应性分子

用这一基于探针的工作流程筛查基因选择的细菌后，团队锁定了人类肺部病原体Nocardia ninae。在其培养液中，他们观察到两对仅在孵育后出现的探针衍生产物，这些产物具有预期的富氮组成，并符合被捕获偶氮化合物的行为。通过减去已知探针的分子式并推理剩余原子，他们推断出原始天然产物是两种非常简单但此前未见的分子：4-偶氮-3-氧代丁二酸（4-diazo-3-oxobutanoic acid）和偶氮丙酮（diazoacetone）。与许多天然产物相比，这些是微小的构件，但反应性极强。对照实验表明，未修饰的分子对常规分析基本不可见，而探针标记的版本在低至几百十亿分之一（ppb）浓度下即可被检测到，强调了此类代谢物是多么容易被遗漏。

发现一种不寻常的酶途径

找到这些分子只是故事的一半；研究者随后追踪了细菌如何合成它们。通过检查其基因组，他们定位到一个基因簇，命名为dob，该基因簇类似于已知用于构建富含氮单元（称为腙）的途径，但包含暗示新步骤的额外酶。通过将该基因簇转入另一种细菌并显示宿主开始产生相同的探针检测产物，他们确认了其作用。详细的生化实验揭示了逐步装配的流程：常见氨基酸被改造成带有腙基的中间体，该中间体通过一个聚酮合酶（polyketide synthase）延伸，形成一个小型腙酸。第二种酶——一类金属酶，命名为Dob3——随后执行了一项罕见的化学壮举：它将腙氧化为偶氮基团。被称为腙氧化的这一反应此前曾被提出，但尚未在自然界中被直接证明。

具有工业前景的新型催化剂

Dob3属于一类通常利用一对铁原子和空气中的氧将氧原子加到碳–氢或氮–氢键上的蛋白家族。在这里，Dob3扩展了该家族的作用方式，通过一个协同的两电子氧化步骤将相对稳定的腙转变为高能的偶氮基团。该酶在试管实验中能接受多种不同的腙底物，并将它们转化为对应的偶氮化合物。由于许多偶氮试剂是现代合成化学的基石，尤其在通过所谓的卡宾转移反应形成碳–碳键方面，Dob3有潜力成为一种多用途的“绿色”催化剂，能在温和、环保的条件下由简单前体制备这些试剂。

这项工作对未来的意义

对非专业读者而言，关键信息是：微生物内部发生的化学反应比我们所能观察到的要丰富且更为脆弱。通过将反应性本身作为信标——在不稳定分子生成的瞬间将其捕捉——这项研究在一种人类病原体中揭示了新的偶氮化合物，并牢固确立了腙氧化作为生成这些反应性基团的天然途径。发现能够完成这一挑战性转化的双铁酶Dob3，为工程化微生物以可持续方式生产工业偶氮试剂打开了大门。更广泛地说，该工作表明许多反应性天然产物仍属于微生物化学的“暗物质”，等待通过类似巧妙的、以反应性为导向的筛查策略被发现。

引用: Pfeifer, K., Van Cura, D., Wu, K.J.Y. et al. Chemical capture of diazo metabolites reveals biosynthetic hydrazone oxidation. Nature 652, 517–525 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10079-x

关键词: 偶氮天然产物, 基于反应性的筛选, 微生物代谢物, 生物催化, 酶发现