生物素（维生素 B7）是含 7 碳骨架的含硫脂肪酸衍生物，作为关键酶辅因子广泛参与糖、蛋白质、脂肪酸的核心代谢过程，其合成与精密调控对微生物生存、代谢稳态至关重要。从进化特征来看，植物、真菌及多数病原细菌可通过 “从头合成” 途径产生生物素，而哺乳动物在进化中丧失该能力，需依赖饮食摄取或肠道菌群供给—这一物种间的代谢差异，使细菌生物素合成途径成为抗菌药物研发的理想靶点。生物素合成的核心瓶颈是庚二酸（pimelic acid）前体的生成，此前科学界仅鉴定出3条细菌庚二酸合成途径：（1）BioC-BioH 途径：最主流的途径，广泛存在于肠杆菌科等 20 余菌属，通过 “劫持” II 型脂肪酸合成（FAS II）通路，经 BioC 催化丙二酰 - CoA/ACP 甲基化、两轮 FAS II 样反应生成庚二酸 - ACP 甲酯，再由 BioH 去甲基化生成庚二酸硫酯；（2）BioI-BioW 途径：仅存在于芽孢杆菌科 / 葡萄球菌科，BioI（细胞色素 P450 样酶）切割长链酰基 - ACP 的 C7-C8 键生成庚二酸 - ACP，BioW 则作为庚二酸 - CoA 合成酶激活外源性庚二酸；（3）BioZ 途径：限于 α- 变形菌，BioZ 通过缩合赖氨酸分解产生的戊二酰 - CoA 与脂肪酸合成的丙二酰 - ACP 前体，生成庚二酸 - ACP。然而，伊丽莎白菌（Elizabethkingia）、金黄杆菌（Chryseobacterium）等临床多重耐药菌，既缺乏上述经典合成途径的核心基因，但却能自主合成生物素。其庚二酸合成机制长期未被阐明，成为该领域的关键科学缺口。同时，此类致病菌常引发医院获得性肺炎、脑膜炎、败血症等难治性感染，且普遍对多黏菌素、碳青霉烯类等“最后一道防线类”抗菌药物高水平耐药，传统抗菌策略收效甚微，亟需挖掘新的治疗靶点。
2025年12月5日，基础医学院徐勇昌副教授联合浙江大学医学院冯友军教授、浙江大学医学院附属邵逸夫医院阮陟研究员，以及美国宾州州立大学 J. Martin Bollinger Jr.教授等团队在PNAS期刊发表了题为“A ferritin-like diiron oxygenase BioE initiates bacterial biotin synthesis, a promising anti-virulence target”的研究论文。该研究通过对 KEGG 数据库中所有细菌的全基因组比较分析，在伊丽莎白菌/金黄杆菌的生物素操纵子，负责生物素合成下游步骤邻近区域，鉴定出2个全新基因：bioE（编码铁蛋白样非血红素双铁加氧酶）和bioL（编码 MocR 型双功能转录因子），并证实二者共同构成了一条全新的庚二酸合成途径。
图1 比较基因组学分析挖掘新型BioE-BioL生物素合成途径
BioE 属于铁蛋白样非血红素双铁加氧酶（FDO）家族，与蓝细菌醛脱甲酰加氧酶（cADO）氨基酸序列同源性约 20%，但催化功能完全不同，是该途径的核心执行元件。BioE仅识别并切割 C14（肉豆蔻酰）、C16（棕榈酰）、C18（硬脂酰）长链脂肪酸酰基辅酶 A（CoA）或酰基载体蛋白（ACP）底物，对 C12（月桂酰）底物无催化活性；通过 10 电子氧化反应特异性切割底物的 C7-C8 碳键，生成庚二酸 - CoA/ACP（生物素合成关键前体）和 Cn-7 游离脂肪酸（如硬脂酰 - CoA 切割生成庚二酸 - CoA 和十一烷酸）。该反应依赖氧气和 NADH / 吩嗪硫酸甲酯（PMS）还原系统，核心是双铁辅因子介导的氧化裂解 ——ICP-MS 证实 BioE 单体可结合近 2 个铁离子，E26、E53、H56、E125、E155、H158 等残基为铁离子关键结合位点，任一残基突变都会导致铁结合能力丧失、酶活性完全消失；AlphaFold/SWISS-MODEL 建模显示，BioE 为同源二聚体，具有 FDO 家族保守的 “四螺旋束” 结构，底物结合口袋精准适配长链脂肪酸链。
图2 BioE 蛋白的基本生化特征
通过体外生化实验，进一步确证BioE催化的活性与产物：HPLC 检测到 BioE 与硬脂酰 - CoA 反应生成庚二酸 - CoA 特征峰，GC/MS 证实甲基化产物为庚二酸二甲酯和十一烷酸甲酯；MALDI-TOF MS/MS 进一步验证硬脂酰 - ACP 底物生成庚二酸 - ACP（分子量 8989.1 Da），且该反应依赖氧气和还原系统，厌氧条件下无产物生成；无细胞合成系统中，补充纯化 BioE 的大肠埃希菌 ΔbioH 或伊丽莎白菌 ΔbioE 细胞提取物，可支持生物素缺陷型大肠埃希菌 ΔbioFCD 的生长，证实该途径可独立完成生物素前体（脱硫生物素/DTB）合成。
图3 BioE酶的催化机制
本研究首次发现介导细菌生物素合成的新途径，填补了 Weeksellaceae 科细菌（伊丽莎白菌/金黄杆菌）生物素合成机制的空白；同时揭示了 FDO 家族酶的催化多样性—不同于经典 cADO 的醛脱甲酰反应，BioE 通过氧化裂解长 链脂肪酸生成 7 碳前体，为深入阐明非血红素双铁加氧酶的功能演化机制提供新范式。
BioE 为伊丽莎白菌/金黄杆菌等致病菌特有，哺乳动物无同源蛋白，靶向 BioE 不会产生宿主毒性，规避了传统抗生素的脱靶风险；抑制 BioE 可阻断致病菌生物素合成，既削弱其毒力（生物膜形成、宿主定植能力下降），又不直接杀菌，不易诱导耐药性，符合 “抗毒力” 抗菌策略的发展方向。当前临床常用喹诺酮类药物（环丙沙星、左氧氟沙星）治疗伊丽莎白菌/金黄杆菌感染，联合 BioE 抑制剂可增强疗效，为多重耐药菌感染的治疗提供新思路。
我院徐勇昌副教授、硕士研究生张孟、付莹莹、杨晓强为共同第一作者，徐勇昌副教授、浙江大学医学院冯友军教授、浙江大学医学院附属邵逸夫医院阮陟研究员以及美国宾州州立大学 J. Martin Bollinger Jr.教授为共同通讯作者。杭州师范大学基础医学院康艳华老师为本论文做出重要贡献。杭州师范大学为本文的第一单位。
