微观劫案：肺部细菌如何锻造武器窃取铁元素以求生存

尽管潘多拉菌属（Pandoraea）细菌构成很高的健康风险，但迄今为止人们对它们的分子特性几乎一无所知。“我们只知道这些细菌存在于自然界中，并且它们可能具有致病性，因为在囊性纤维化或脓毒症患者的肺部微生物群中发现过它们，”赫尔佐格解释道。

铁的争夺战

对于大多数生物体来说，铁对细菌也至关重要。“例如，铁在生物体的酶和呼吸链中起着核心作用，”赫尔佐格解释道。特别是在人体等铁稀缺的环境中，充分吸收铁元素的条件远非理想。因此，许多微生物会产生所谓的铁载体（siderophores）：这是一些小分子，能从环境中结合铁并将其转运进细胞。

“然而，在潘多拉菌属细菌中，此前并未发现已知的毒力因子或生态位因子能帮助它们生存，”赫尔佐格说。因此，研究团队希望弄清楚潘多拉菌属菌株如何在如此竞争激烈的环境中生存。

通过生物信息学分析，该团队发现了一个此前未知的基因簇pan。它编码一种非核糖体肽合成酶——这是铁载体生产的典型酶。“我们从基因簇分析入手，专门寻找可能负责产生铁载体的基因，”赫尔佐格报告道。

通过基因的靶向失活以及基于培养的方法和先进的分析技术——包括质谱法、核磁共振波谱法、化学降解和衍生化——来自耶拿的研究人员成功分离出两种新的天然产物并阐明了其化学结构：潘多拉菌素A（Pandorabactin A）和B（Pandorabactin B）。两者都能够螯合铁，并可能在潘多拉菌属菌株如何在恶劣环境中生存方面发挥重要作用。“当环境中铁稀缺时，这些分子帮助细菌吸收铁，”赫尔佐格说。

铁越少，竞争者越少

生物测定还表明，潘多拉菌素通过夺取假单胞菌属（Pseudomonas）、分枝杆菌属（Mycobacterium）和窄食单胞菌属（Stenotrophomonas）等其他细菌的铁，抑制了它们的生长。

对囊性纤维化患者肺部痰样本的分析进一步揭示，pan基因簇的检测与肺部微生物群的变化相关。因此，潘多拉菌素可能直接影响病变肺部的微生物群落。

“然而，要从这些发现中推导出医学应用仍为时过早，”赫尔佐格强调道。尽管如此，这一发现为理解潘多拉菌属细菌的生存策略以及人体内对关键资源的复杂竞争提供了重要信息。

该研究由莱布尼茨天然产物研究与感染生物学研究所（Leibniz-HKI）与耶拿大学、海德堡大学和香港大学密切合作完成。研究作为“微生物世界的平衡”（Balance of the Microverse）卓越集群以及ChemBioSys合作研究中心项目的一部分进行，并获得了德国研究基金会（DFG）的资助。用于分析的成像质谱仪由图林根自由州资助，并由欧盟共同出资。