血流感染（Bloodstream infection，BSI）是一種嚴重的全身性感染，可能引起一系列癥狀如高熱、寒戰、心動過速、呼吸急促等，在嚴重情況下會導致休克和多器官功能衰竭。這種疾病通常由革蘭氏陰性菌引起，包括大腸桿菌（E. coli）、肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）和銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）。以往針對BSI的研究多集中于嚴重感染對人體代謝的影響及可能的臨床標志物篩選，往往忽略了微生物的代謝活動。

2024年6月，哈佛醫學院及化學系研究團隊在Cell上發表了題為“A metabolomics pipeline highlights microbial metabolism in bloodstream infections”的研究論文，提出了一種迭代的菌群衍生代謝物檢測方案，首次發現了BSI期間上調的菌群代謝產物：乙?；喟奉愇镔|，并確定了關鍵酶及靶向藥物作用機制。

技術路線圖

分析結果

1. 篩選與BSI相關的細菌衍生代謝物

為確定BSI期間病人血漿中含量升高的菌源性代謝物，研究者設計了一組包含患者樣本、小鼠模型和體外培養細菌的代謝組檢測方案。首先對臨床上革蘭氏陰性菌感染患者的血漿樣本進行靶向代謝組檢測，發現幾種短鏈肉堿和多胺衍生物等物質顯著增加，其中8種代謝物的水平與急性生理學和慢性健康評估II（APACHE II）呈顯著正相關；隨后提取膿毒癥盲腸漿液分別進行小鼠造模和體外細菌培養，最終篩選出兩種關鍵代謝物：N-乙酰腐胺（N-acetylputrescine）和4-乙酰胺基丁酸鹽（4-acetamidobutanoate），兩者均是由多胺類物質——腐胺乙?；玫剑蛔詈罄酶贩謩e培養大腸桿菌（E. coli）、肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）和銅綠假單胞菌（P. aeruginosa），發現所有菌株均產生N-乙酰腐胺，而只有銅綠假單胞菌能產生4-乙酰氨基丁酸鹽。

圖1. 靶向代謝組學確定BSI患者血漿中升高微生物衍生代謝物

此外，為了證明這套工作流程還能對未知細菌代謝物進行優先級排序，研究者對以上患者樣本、小鼠血漿和細菌培養上清液又進行了非靶向代謝組學檢測，所有結果依舊指向N-乙酰腐胺；進一步通過關聯臨床疾病嚴重程度評分，發現了兩種m/z為230.1852和114.0912的未知化合物，核磁共振解譜表明這兩種物質是2-或3-乙酰吡咯烷和N1,N8-二乙酰亞精胺，后者是一種乙?；喟?；基于此，研究者特別關注了乙?；喟奉愇镔|，發現多種造模方式的細菌活體感染均可使小鼠體內的多種乙?；喟泛可仙?，而LPS處理的無菌炎癥造模則未出現此類規律。

圖2. 非靶向代謝組學鑒定新的關鍵代謝物

2.革蘭氏陰性菌中多胺乙酰化的關鍵酶：SpeG

為研究多胺乙?；贐SI進展中的作用，必須首先確定負責這一過程的酶，研究者迅速聚焦多胺/二胺N-乙酰轉移酶，顧名思義這類酶能催化多胺或二胺類物質的N-乙酰化反應。在大腸桿菌和肺炎克雷伯菌中，有一個基因：SpeG，被注釋為腐胺N-乙酰轉移酶，但之前的研究認為它只能催化亞精胺的乙?；?，而缺乏針對腐胺的研究結論。

因此，研究者構建了敲除SpeG基因的大腸桿菌突變體，首先確認了SpeG的缺失使得這些細菌在培養過程中無法產生N-乙酰腐胺和二乙酰亞精胺，而加入編碼speG的質粒則可以回補；另外通過將純化酶和腐胺及乙酰輔酶A一起孵育證明了SpeG可催化腐胺乙?；?。接下來檢測SpeG對腐胺的動力學參數，發現在生理水平下，SpeG對腐胺的催化活性極低，但當腐胺的濃度超過生理閾值后，SpeG的活性會迅速增加，這也解釋了為何以往的研究沒有發現SpeG對腐胺的催化活性。最后研究了銅綠假單胞菌中是否存在SpeG的同源基因，通過UniProt數據庫比對和BLAST搜索找到3種候選酶，隨后在SpeG敲除的大腸桿菌中分別轉染這3種基因，發現其中1種：PA1472，可以回補兩種目標代謝物；此外AlphaFold2的結構預測結果也顯示，PA1472與SpeG晶體結構相似；因此，即使同源性較低，但依舊可以認為PA1472是銅綠假單胞菌中的SpeG類似物。

圖3. SpeG及其同源物催化細菌產生N-乙酰腐胺

3. 多胺乙?；瘜毦鲋车挠绊?/strong>