高利增研究组与合作者发现铁硫纳米酶编辑色氨酸代谢防治肠道致病菌感染

　　基于纳米酶的仿生抗菌策略，能够模拟天然免疫防御系统多酶催化杀菌机制，包括氧化还原酶类催化产生ROS快速杀菌，以及水解酶类分解细菌成分等，对多种耐药菌（包括生物膜、胞内菌等）、真菌以及病毒具有杀伤或抑制作用，有望为解决微生物耐药难题提供新路径。中国科学院生物物理研究所高利增研究组此前发现，纳米尺度的硫化铁作为一类典型的纳米酶，具有多种类酶催化活性以及释放铁硫活性物质的能力，能够有效杀灭多种致病菌，具有诱导铁死亡的广谱抗菌模式（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌）和多硫修饰的选择杀菌机制（如幽门螺旋杆菌）。在前期研究中，他们发现这类纳米酶通常对乳酸杆菌等益生菌比较友好，而且不破坏肠道微生态平衡，但是具体的生化机制尚不清楚。

　　此外，益生菌也是一种防治细菌感染的潜在策略，尤其是通过调控肠道微生态平衡来抑制致病菌。但是单纯的益生菌直接抗菌能力通常较弱，当前常用的改进方法是在基因层面改造细菌的合成生物学策略，赋予或提升其抗菌能力。这些方法相对繁琐且存在转基因风险。因此，寻找有效的益生元，尤其是能够与益生菌协同增效，有可能带来更加简便和更具转化潜力的益生菌防治感染新策略。

　　2025年11月24日，中国科学院生物物理研究所高利增研究组与中国农业大学动物科学技术学院董冰研究组合作，在《Nature Microbiology》发表了题为"Nanozymes modulate probiotic tryptophan metabolism to prevent Salmonella infection in mammalian models"的研究论文。该研究揭示了铁硫纳米酶（nFeS）通过作用于肠道微生物代谢，催化产生吲哚衍生物协同对抗小鼠和仔猪的肠道感染的抗菌机制。该项研究阐明了铁硫纳米酶的选择杀菌机理：铁硫纳米酶通过发挥其类加氧酶和类异构酶的催化作用，拓展阴道乳杆菌等有益菌的色氨酸-吲哚代谢途径，将吲哚-3-甲醛转化为吲哚-2-甲酸，从而联合吲哚-2-甲酸共同抑制沙门氏菌等致病菌的生长。同时，铁硫纳米酶来源的亚铁离子与吲哚-2-甲酸在阴道乳杆菌内部螯合，保护了阴道乳杆菌免受亚铁离子的杀菌攻击。

图. 铁硫纳米酶与阴道乳杆菌协同抑制致病菌的杀菌机制示意图

　　研究团队基于氧化还原电位测试、拉曼光谱测试、傅里叶变换红外光谱测试等试验，展开了DFT理论计算推测了铁硫纳米酶催化吲哚-2-甲酸产生的路径。最终，铁硫纳米酶和阴道乳杆菌联合杀菌的效果在沙门氏菌感染的仔猪模型上得到了验证。动物实验结果表明，口服铁硫纳米酶与乳杆菌能够降低仔猪腹泻发病率，除了沙门氏菌，还有约23种的病原菌或潜在病原菌显著降低，同时大幅提升益生菌丰度（14种益生菌）。并且，肠道病理分析显示出良好的生物安全性。

　　该研究展示了铁硫纳米酶缓解动物肠道感染的有效治疗潜力，纳米酶能够调控细菌特定代谢通路，无需在基因层面编辑改造细菌，为发现功能独特的代谢物及为开发肠道感染治疗方法开辟了新途径。该工作不仅进一步拓展了铁硫纳米酶的活性类型，还揭示了乳酸杆菌等益生菌耐受铁硫纳米酶的生化机制，为协同治疗和提升益生菌调节肠道健康能力奠定了基础。

　　中国科学院生物物理研究所高利增研究员与中国农业大学动物科学技术学院董冰副研究员为该论文的共同通讯作者，中国农业大学林姿伸博士为第一作者。该研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金的经费支持。

　　文章链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41564-025-02176-4

（供稿：高利增研究组）