间苯三酚（PG）是重要的芳香族平台化合物，其本身是一种优秀的平滑肌解痉挛剂，具有特异性好、副作用小、安全性高等优点，还在纺织品染色、人工降雨、抗肿瘤药物合成等领域有重要应用。更为重要的是，PG是合成高能钝感含能材料——三氨基三硝基苯（TATB）的原料。作为美国能源部唯一批准的单质钝感炸药，TATB能量密度高，在光、热、撞击等刺激下极为稳定，是改善武器弹药威力和安全性的关键材料。本团队前期以已成功构建了合成PG的大肠杆菌工程菌，发现PG在发酵液中积累会显著抑制细菌的正常生长和代谢，造成产量低、转化效率低等问题。PG毒性已成为限制其生物合成技术的关键瓶颈问题之一。

本研究中，我们通过适应性进化获得了高度耐受PG的大肠杆菌突变菌株，确定了与PG耐受性直接相关的三个重要基因：sodB、clpX和fetAB。研究发现，PG可以与铁离子形成配合物，促进芬顿反应大量生成羟基自由基，引起细胞还原力耗竭和脂质过氧化，造成大肠杆菌铁死亡。超氧化物歧化酶（SOD）能够提供芬顿反应底物H₂O₂而加强PG的毒性，而铁外运载体FetAB能够有效降低细胞内游离铁离子浓度而提高细菌抗性。蛋白酶ClpX的缺失将提高胁迫响应主要调控蛋白RpoS和储铁蛋白Dps的稳定性，激活氧化压力应激基因katE等的表达，并降低细胞内游离铁离子浓度。除PG外，苯酚、邻苯二酚、萘酚等酚类均可与铁离子配合，引起大肠杆菌、沙门氏菌、酿酒酵母、动物细胞等不同物种的铁死亡。

图 大肠杆菌酚类耐受性系统。（A）间苯三酚（PG）与铁形成配合物，诱导细菌铁死亡。（B）PG-Fe配合物抑制小鼠肿瘤生长。（C）耐受性增强的大肠杆菌工程菌株Q4333的PG产量增加。（D）耐受性增强的假单胞菌快速降解苯酚。

 本研究首次报道了大肠杆菌的铁死亡，阐明了酚类生物毒性的分子机制，证明了PG促进芬顿反应产生大量羟基自由基而造成细胞铁死亡。我们的结果改正了对于SOD的错误认识，证明了SOD对酚类毒性至关重要：酚类促进芬顿反应产生羟基自由基，诱导SOD表达；SOD产生H₂O₂，为芬顿反应提供底物。这种正反馈循环会加剧细胞内羟基自由基的积累，最终导致细胞铁死亡。而SOD作为抗氧化酶，之前一直被认为有助于对酚类的耐受。

本研究鉴定了酚类耐受性的关键基因，可有效指导耐受性工程菌株的构建，提升菌株性能。经改造后，高耐受性的大肠杆菌PG产量是对照菌株的2.7倍，高耐受性假单胞菌的酚类污染物降解能力也显著增强，在酚类的生物合成和酚类污染环境的生物修复方面具有广泛的应用潜力。

本研究首次发现酚类可作为铁死亡诱导剂，发现PG-Fe配合物可在小鼠体内诱导癌细胞的铁死亡，有效抑制小鼠肿瘤的生长。为满足快速生长需求，癌细胞内铁离子浓度远高于正常细胞，所以铁死亡被认为是特异性杀伤癌细胞的有效途径。作为临床常用的解痉挛剂，PG的药代动力学和安全性已知，将其应用于肿瘤治疗可以最大限度地应用现有资源，节约药物开发成本和时间，为肿瘤药物的开发开辟了新的思路。

本研究近日发表于Communications Biology，博士研究生隋新悦为论文第一作者，赵广教授为论文通讯作者，山东大学微生物技术国家重点实验室为论文第一完成单位和通讯作者单位。微生物技术国家重点实验室李盛英教授、祁庆生教授、史大永教授，南开大学刘斌教授，中国科学院青岛生物能源与过程研究所咸漠研究员团队也参与了本研究工作。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国重室创新群体和“揭榜挂帅”项目等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-024-05903-5