摘要: 目的 對1株西藏來源鏈霉菌10-37的次級(jí)代謝產(chǎn)物進(jìn)行研究。方法 在分子網(wǎng)絡(luò)指導(dǎo)下,利用HW40 C凝膠柱、Flash快速液相分離制備色譜儀、半制備型高效液相色譜等方法對化合物進(jìn)行分離純化,運(yùn)用核磁共振、高分辨液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對單體化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定,最后利用微量肉湯稀釋法進(jìn)行抗菌活性測定。結(jié)果 從鏈霉菌10-37的菌絲體提取物中分離得到了4個(gè)代謝產(chǎn)物,包括2個(gè)新化合物oxazolomycin A3(1)和A4(2),以及2個(gè)已知化合物oxazolomycin A2(3)和oxazolomycin B(4)。其中化合物1和2為化合物3的一對幾何異構(gòu)體,它們?nèi)┎糠值臉?gòu)型分別為(4’E,6'E,8'E)(1)、(4’Z,6'E,8'E)(2)、(4’Z,6'Z,8'E)(3)、(4’E,6'E,8'E)(4)。結(jié)論 西藏特境的地理優(yōu)勢結(jié)合分子網(wǎng)絡(luò)分析的策略,可以更高效地挖掘新結(jié)構(gòu)次級(jí)代謝產(chǎn)物。
關(guān)鍵詞:鏈霉菌;次級(jí)代謝產(chǎn)物;結(jié)構(gòu)鑒定;分子網(wǎng)絡(luò)
中圖分類號(hào):R978.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
Secondary metabolites of Streptomyces sp. 10-37 from Xizang
Abstract Objective This research studied the secondary metabolites of Streptomyces sp. 10-37 collected in Xizang. Methods Under the guidance of the molecular network, the compounds were separated and purified by HW40 C gel columns, flash rapid liquid separation and preparation chromatographs, semi-preparative high-performance liquid chromatography and other methods. The structures of the purified compounds were identified by nuclear magnetic resonance and high-resolution liquid chromatography-mass spectrometry. Finally, the antibacterial activity was determined by the microbroth dilution method. Results Four metabolites were isolated and identified from the mycelium extract of Streptomyces sp. 10-37, including two new compounds, oxazomycin A3 (1) and A4 (2), as well as two known compounds, oxazomycin A2(3) and oxazomycin B(4). Compounds 1 and 2 were a pair of geometric isomers of 3, with the configurations of their diene moieties being (4'E, 6'E, 8'E)(1), (4'Z, 6'E, 8'E)(2), (4'Z, 6'Z, 8'E) (3), and (4'E, 6'E, 8'E)(4), respectively. Conclusion The geographical advantages of Xizang's special environment, combined with the strategy of molecular network analysis, can better excavate new secondary metabolites.
Key words Streptomyces; Secondary metabolites; Structural identification; Molecular network
微生物天然產(chǎn)物因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和豐富的生理活性一直是藥物研發(fā)的重要源泉,在抗生素研發(fā)領(lǐng)域更是發(fā)揮著不可估量的作用[1]。隨著人們對普通環(huán)境下微生物的不斷挖掘,發(fā)現(xiàn)新骨架天然產(chǎn)物的難度不斷增加,人們開始把注意力投向極端特殊的自然環(huán)境,針對“新產(chǎn)地、新菌種、新基因、新產(chǎn)物、新用途”的理念[2]尋找具有潛在藥用價(jià)值的新菌種資源。西藏山南地區(qū)多樣的地形地貌使其形成了獨(dú)特的高原溫帶干旱性氣候,低溫、少雨、高輻射、低氣壓和低氧等獨(dú)特的氣候特點(diǎn)[3]孕育了獨(dú)特的微生物資源[4]。
由于微生物天然產(chǎn)物的基數(shù)不斷擴(kuò)大,重復(fù)發(fā)現(xiàn)日益嚴(yán)重。為了解決天然產(chǎn)物重復(fù)發(fā)現(xiàn)的問題,人們基于生物信息學(xué)和化學(xué)信息學(xué)開發(fā)了多種方法和工具。目前應(yīng)用最廣泛的是Dorrestein實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的全球天然產(chǎn)物社交分子網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)(GNPS)[5-6],其基于二級(jí)質(zhì)譜的相似性將結(jié)構(gòu)相似的化合物聚集成簇,同時(shí)通過與多種數(shù)據(jù)庫[7]中已知化合物的參考二級(jí)圖譜進(jìn)行比對而達(dá)到排重的目的[8]。該工具提高了天然產(chǎn)物的早期排重效率,使分離工作可以更有目的性地進(jìn)行。
基于此,本研究利用分子網(wǎng)絡(luò)在采集的西藏特境樣品中優(yōu)選出有潛力的鏈霉菌10-37,對其進(jìn)行了深入的研究。通過分子網(wǎng)絡(luò)分析快速鎖定目標(biāo)代謝產(chǎn)物,對其進(jìn)行分離鑒定,共得到4個(gè)化合物,其中化合物1和2為一對新的幾何異構(gòu)體。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 儀器與試劑:
儀器:電子分析天平AB204-E(瑞士Mettler公司);高壓蒸汽滅菌鍋(日本Sanyo公司);無菌超凈工作臺(tái)YT-CJ-1D(北京亞泰科?。缓銣嘏囵B(yǎng)箱SHH-C3000 serials(上海合恒儀器設(shè)備有限公司);恒溫?fù)u床(上海捷呈實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);臺(tái)式離心機(jī)(美國Sigma公司);小型高速離心機(jī)(德國Eppendorf公司);超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司KQ5200型);干式氮吹儀(北京天林恒泰科技有限公司);旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(EYELA OSB-220低溫冷凍循環(huán)裝置、Buchi NS45/40);Flash快速液相分離制備色譜(Combi Flash);冷凍干燥機(jī)(CHRIST ALPHA 2-4 LSC);循環(huán)水式真空泵SHZ-B-III(鄭州恒巖儀器有限公司);高效液相色譜儀(Agilent Technologies 1290 series);核磁共振波譜儀Bruker AVIIIHD-600MHz(美國Bruker公司);高分辨液質(zhì)聯(lián)用儀器(Waters? UPLC-Xevo? G2-S Qtof)。
分離填料及試劑:HW40 C凝膠(日本Toyopearl公司);Xbridge? Prep C18(5 μm, 250 mm×10 mm)半制備色譜柱;ACQUITY UPLC CSHTM C18柱(1.7 μm,
2.1 mm×100 mm);ODS填料(日本YMC);分析級(jí)乙醇(北京通廣精細(xì)化工廠);LC-MS級(jí)甲酸、甲醇及乙腈(北京百靈威科技有限公司);色譜級(jí)甲醇及乙腈(上海星可高純?nèi)軇┯邢薰荆?;制備?jí)甲酸、甲醇及乙腈(上海星可高純?nèi)軇┯邢薰荆?;DMSO-d6(Cambridge Isotope Laboratories);實(shí)驗(yàn)用水(娃哈哈公司)。
培養(yǎng)基:ISP-2液體培養(yǎng)基(酵母浸粉4.0 g,麥芽浸粉10.0 g,葡萄糖4.0 g,去離子水1 L,PH 7.4);MHB培養(yǎng)基(牛肉粉2.0 g,酸水解酪蛋白17.5 g,可溶性淀粉1.5 g,去離子水1 L,PH 7.2)。
1.1.2 菌株來源與檢定菌
菌株分離自西藏自治區(qū)山南市南部隆子縣高山草甸上的地衣樣品,樣品采集位置為東經(jīng)91°56'49.58'',北緯28°23'17.70'',海拔4752 m。檢定菌:枯草芽胞桿菌(Bacillus subtilis)CMCC63501、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)ATCC29213、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA 臨床株)、大腸埃希菌(Escherchia coli)ATCC25922、產(chǎn)超廣譜β-內(nèi)酰胺酶的大腸埃希菌(extended-spectrum β-lactamases-producing Escherichia coli, ESBLs, 臨床株)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)ATCC27853。
1.2 方法
1.2.1 菌株發(fā)酵
將保存菌株的甘油管從-80 ℃冰箱中取出,通過無菌操作吸取100 μL菌液到ISP-2固體培養(yǎng)基平皿上,涂布棒涂勻后放置在28 ℃溫箱中靜置培養(yǎng)7 d。配制10瓶發(fā)酵培養(yǎng)基(100 mL ISP-2液體培養(yǎng)基/500 mL三角燒瓶),每瓶接種約2 cm2大小的菌落,于220 r/min,28 ℃,培養(yǎng)42 h,獲得種子液。配制20瓶發(fā)酵培養(yǎng)基(1 L ISP-2液體培養(yǎng)基/5 L三角燒瓶),每瓶接種50 mL種子液,于180 r/min,28 ℃,培養(yǎng)8 d,獲得20 L發(fā)酵產(chǎn)物。
1.2.2 分子網(wǎng)絡(luò)分析
使用Waters Compression Tool壓縮MS/MS原始.raw文件,后使用UNIFI軟件將壓縮后的.raw文件轉(zhuǎn)換成.mgf文件,再用MS convert軟件轉(zhuǎn)化為.mzmL格式文件,利用FileZilla軟件上傳至GNPS-MassIVE數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(https://massive.ucsd.edu)。通過GNPS平臺(tái)(https://gnps.ucsd.edu)進(jìn)行MS/MS分子網(wǎng)絡(luò)分析,參數(shù)為前體離子質(zhì)量容差0.02 Da;碎片離子質(zhì)量容差0.02 Da;最小余弦分?jǐn)?shù)值0.65;最小匹配碎片離子數(shù)5;最小網(wǎng)格簇?cái)?shù)1;其他均為默認(rèn)參數(shù)。最后使用Cytoscape v3.8.0實(shí)現(xiàn)結(jié)果可視化。
1.2.3 化合物分離純化及結(jié)構(gòu)鑒定
發(fā)酵液經(jīng)4500 r/min離心20 min,菌絲體部分用無水乙醇提取6次,減壓蒸干得到粗提物14.3 g。粗提物用甲醇萃取,離心取上清液過HW40 C凝膠柱(3.2 cm×15 cm),甲醇洗脫,減壓蒸干后得到粗品4.7 g。將其與ODS填料按質(zhì)量比1:1拌樣,干法上樣,利用Flash進(jìn)一步分離(條件:RediSep Rf C18 flash column, 130 g;A相:純水;B相:乙腈;0~50 min:10%~55%B;50~65 min:55%~100%B; 65~70 min:100%B;流速25 mL/min)。根據(jù)LC-MS檢測結(jié)果對相同組分進(jìn)行合并,減壓濃縮得到21個(gè)組分(F1~F21)。
化合物1~3主要存在于F5中,共47.5 mg,利用高效液相色譜儀分離純化(條件:Xbridge? Prep C18半制備柱(5 μm, 250×10 mm);A相:純水(含0.1%甲酸);B相:乙腈(含0.1%甲酸);0~90 min:28%B等度洗脫;流速2.5 mL/min;柱溫30 ℃)得到化合物1~3?;衔?主要存在于F9和F10中,共23.1 mg,利用高效液相色譜儀分離純化(條件:Xbridge? Prep C18半制備柱(5 μm, 250×10 mm); A相:純水(含0.1%甲酸);B相:乙腈(含0.1%甲酸);0~90 min:32%B等度洗脫;流速2.5 mL/min;柱溫30 ℃)得到化合物4。將化合物1~4用純水稀釋5倍之后上樣于ODS柱,純水沖5個(gè)柱體積除酸,乙腈沖6個(gè)柱體積洗脫,減壓蒸干后得到化合物1(3.6 mg)、化合物2(2.8 mg)、化合物3(10.1 mg)和化合物4(2.1 mg)。
利用高分辨液質(zhì)聯(lián)用儀對化合物進(jìn)行檢測(條件:ACQUITY UPLC CSHTM C18柱(1.7 μm, 2.1 mm×
100 mm);A相:純水(含0.1%甲酸);B相:乙腈(含0.1%甲酸);0~2 min:10%~32%B;2~9 min, 32%B; 9~11 min, 10%B;流速0.3 mL/min;柱溫30 ℃;質(zhì)譜采用Fast DDA模式;利用Waters Masslynx (V4.1)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集),結(jié)合1H (600 MHz)和13C NMR(150 MHz)數(shù)據(jù)對化合物1~4進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。
1.2.4 抗菌活性測定
參照CLSI標(biāo)準(zhǔn)[9],采用微量肉湯稀釋法對化合物3和4進(jìn)行6種檢定菌的最低抑菌濃度(minimal inhibitory concentration, MIC)測定。使用MHB培養(yǎng)基將0.5 MCF(1×108 CFU/mL)的菌懸液稀釋至5×
105 CFU/mL,96孔板第一孔加入200 μL菌液,2~12孔加入100 μL菌液。待測化合物溶于DMSO配制成12.8 mg/mL母液,第一孔中加入2 μL,混勻,依次進(jìn)行倍比稀釋,使化合物濃度依次為128、64、32、16、8、4、2、1、0.5、0.25、0.125和0.0625 μg/mL。
以美羅培南和萬古霉素標(biāo)準(zhǔn)品作為陽性對照,DMSO作為陰性對照,MHB培養(yǎng)基為空白對照。
30 ℃恒溫培養(yǎng)12 h后觀察結(jié)果,并通過酶標(biāo)儀讀取各孔的A600吸光值。
2 結(jié)果與分析
2.1 GNPS分子網(wǎng)絡(luò)分析
利用GNPS平臺(tái)對菌株發(fā)酵提取物的LC-MS/MS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析排重。圖1中,一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一種化合物(不排除為同分異構(gòu)體的集合),其上標(biāo)注的為每個(gè)化合物的質(zhì)荷比。根據(jù)分子網(wǎng)絡(luò)提供的信息,m/z 674.369的化合物具有較高的強(qiáng)度,在菌株10~37代謝產(chǎn)物中產(chǎn)量占比較大,為該菌株的主要產(chǎn)物;且在GNPS數(shù)據(jù)庫搜索后發(fā)現(xiàn),該簇并未匹配到與其相似的已知化合物,提示為一類潛在的新化合物,因此,對該簇化合物進(jìn)行了定向分離。
2.2 結(jié)構(gòu)鑒定
在分子網(wǎng)絡(luò)指導(dǎo)下,從鏈霉菌10~37的菌絲體提取物中分離得到了4個(gè)化合物,其化合物純度經(jīng)UPLC檢測如圖2所示。HR-ESI-MS數(shù)據(jù)表明,化合物1~3具有相同的分子量。UV光譜均在230和275 nm左右顯示出最大吸收值,在265和285 nm處具有兩個(gè)肩峰,表明其結(jié)構(gòu)中存在共軛三烯片段。通過微譜檢索,發(fā)現(xiàn)化合物1~3與已知化合物Oxazolomycin A2[10]的13C NMR化學(xué)位移具有較高相似度,且化合物3的相似性最高(表1),進(jìn)一步通過1H NMR數(shù)據(jù)比對確定化合物3即為oxazolomycin A2。
1H NMR的化學(xué)位移和耦合常數(shù)顯示化合物1~3的差異主要在于三烯部分(H-3', H-4', H-5', H-6', H-7', H-8'和H-9')。通過比較化合物1~3的1H NMR數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)化合物1中H-3'的化學(xué)位移(δH-3,4.04)與化合物2(δH-3,4.58)和3(δH-3,4.62)的相比向高場位移了約0.6 ppm,由此推斷化合物1中雙鍵Δ4(5)為E構(gòu)型,而化合物2與3相同為Z構(gòu)型[10-11]?;衔?和2中H-5’和H-8’化學(xué)位移(1:δH-5,5.96,δH-8,6.22;2:δH-5,5.92,δH-8,6.22)與化合物3中的(3:δH-5,6.39,δH-8,6.73)相比向高場位移了約0.5 ppm,因此推測化合物1和2雙鍵Δ6(7)的構(gòu)型與3中的相反[10],為E構(gòu)型。H-6'和H-7'之間的耦合常數(shù)(1:J6’,7’=14.4 Hz,2:J6’,7’=15.0 Hz,3:J6’,7’=11.1 Hz)進(jìn)一步證明了以上推測?;衔?~3中H-8'和H-9'之間均具有較大的耦合常數(shù)(1:J8’,9’=14.4 Hz,2:J8’,9’=15.0 Hz,3:J8’,9’=14.4 Hz),表明化合物1~3中雙鍵Δ8(9)均為E構(gòu)型[10]。綜上所述,化合物1~3共軛三烯部分的幾何結(jié)構(gòu)分別為(4’E,6'E,8'E)、(4’Z,6'E,8'E)和(4’Z,6'Z,8'E)(圖3),1和2為一對新的幾何異構(gòu)體,分別命名為oxazolomycin A3和A4。
化合物1:黃色油狀物;UV λmax(MeOH) 228,278 nm;1H和13C NMR數(shù)據(jù)(DMSO-d6)參考表1;HR-ESI-MS [M+Na]+ m/z 696.3486(calcd for C35H51N3O10Na, 696.3472, 2.0 ppm)。
化合物2:黃色油狀物;UV λmax (MeOH) 228, 276 nm;1H和13C NMR數(shù)據(jù)(DMSO-d6)參考表1;HR-ESI-MS [M+Na]+ m/z 696.3486(calcd for C35H51N3O10Na, 696.3472, 2.0 ppm)。
化合物3:黃色油狀物;UV λmax (MeOH) 224, 276 nm;1H和13C NMR數(shù)據(jù)(DMSO-d6)參考表1;HR-ESI-MS [M+Na]+ m/z 696.3486(calcd for C35H51N3O10Na, 696.3472, 2.0 ppm)。
化合物4:黃色油狀物;UV λmax (MeOH) 223, 276 nm;1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ 8.23(s, 1H),7.65(t, J=6.0 Hz, 1H),6.89(s, 1H),6.74(dd,J=11.4,14.4 Hz,1H),6.39(d,J=12.0 Hz,1H),6.30(t,J=11.4 Hz,1H),6.20(dd,J=10.2,15.0 Hz,1H),6.11(dd,J=10.2, 15.0 Hz, 1H),5.91(t,J=11.4 Hz,1H),5.77 (dt,J=7.2,6.6 Hz,1H),5.69(ddd,J=6.0,11.4,21.0 Hz,1H),5.49(dd, J=7.8,15.0 Hz,1H),5.42 (d,J=4.8 Hz,1H),4.63(d,J=4.8 Hz,1H),4.16(dd,J=7.2,10.2 Hz, 1H),4.08(d,J=12.6 Hz,1H),3.96(d,J=12.6 Hz, 1H),3.70(t,J=5.4 Hz,2H),3.54(d,J=6.6 Hz,2H),3.51(t,J=5.4 Hz,1H),3.14(s,3H),2.66 (s,3H),2.57(q,J=7.2 Hz,1H),1.85(m,1H),1.72(s,3H),1.68(m,1H),1.22(s,1H),1.09(s,3H),1.02(d,J=7.2 Hz,3H),0.97(s,3H),0.82(d,J=7.2 Hz,3H);13C NMR(150 MHz,DMSO-d6) δ 176.1,175.1,171.2,151.3,150.5,140.0,132.2,131.8,131.8,129.6,129.0,128.1,127.1,124.5,123.5,122.0,84.5,79.8,78.3,74.6,73.0,61.6,55.8,46.0,44.1,40.4,31.8,28.3,27.3,27.1,24.6,21.5,20.0,19.5,9.8:HR-ESI-MS [M+Na]+ m/z 678.3346(calcd for C35H49N3O9Na,678.3366,2.9 ppm)。上述數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[11]中數(shù)據(jù)對照基本一致,故確定該化合物4為oxazolomycin B[10]。
2.3 抗菌活性測定
采用微量肉湯稀釋法測定了化合物3和4的最低抑菌濃度,結(jié)果顯示,對6種檢定菌均無抑制活性(MIC gt;128 μg/mL)。
3 討論
本研究以分子網(wǎng)絡(luò)為導(dǎo)向,從西藏特境鏈霉菌中鑒定了一組oxazolomycin類化合物。Oxazolomycin及其同系物是一個(gè)相對罕見的天然產(chǎn)物家族[12-13]。
該類化合物的常見結(jié)構(gòu)特征包括一個(gè)獨(dú)特的β-內(nèi)酯-γ-內(nèi)酰胺螺環(huán)結(jié)構(gòu)和一個(gè)末端惡唑環(huán),兩部分通過三烯和(E,E)-二烯脂鏈連接[12-13]。到目前為止,該家族成員包括neooxazolomycin[14], oxazolomycins A-F[11, 15],
curromycins A和B(也稱為triedimycins A和B)[16-17],
16-methyloxazolomycin[18-19], KSM-2690 B和C[20], lajollamycins[21-22], bisoxazolomycin A, oxazolomycin A2[10], glaucumycins A和B[15]。此外,還報(bào)道了幾種與oxazolomycin相關(guān)的化合物,即inthomycins和phthoxazolins,它們只具有惡唑環(huán)和三烯片段[23-24]。
Koomsiri等[10]采用紙片法對oxazolomycin A2進(jìn)行了抗菌活性研究,濃度為30、10、3和1 μg/片,結(jié)果顯示對恥垢分枝桿菌、銅綠假單胞菌和枯草芽孢桿菌等均無活性;僅在較高濃度下對大腸桿菌NIHJ(30 μg/片)和金黃色葡萄球菌ATCC6538p(10、30 μg/片)顯示出生長抑制。而本研究中化合物3對測試的大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌均沒有顯示出抑制活性(MICgt;128 μg/mL),分析可能是由于與文獻(xiàn)中測試的檢定菌株不同造成的。Kanzakiet等[11]比較了oxazolomycin A-C對根癌土壤桿菌、枯草芽胞桿菌和大腸埃希菌等的生物活性,結(jié)果顯示A表現(xiàn)出一定活性,而B和C對測試細(xì)菌均無活性(MICgt;100 μg/mL)。考慮到B和C為A的一對幾何異構(gòu)體,其結(jié)構(gòu)差異同樣在左側(cè)三烯片段[11],加之主成分化合物3沒有活性、分離難度大、產(chǎn)量少等原因,因此,沒有對化合物1和2進(jìn)行抗菌活性測定。
本研究利用分子網(wǎng)絡(luò)對同類化合物的聚簇及排重功能,對鏈霉菌10-37代謝產(chǎn)物進(jìn)行研究,具有較強(qiáng)的靶向性。GNPS中的經(jīng)典分子網(wǎng)絡(luò)方法主要通過與數(shù)據(jù)庫中已知參考化合物的MS/MS圖譜對比進(jìn)行排重,當(dāng)前由于數(shù)據(jù)庫中參考質(zhì)譜的數(shù)據(jù)量有限,限制了其排重能力。這導(dǎo)致我們分離出的主成分(化合物3)仍為已知化合物。任何工具都有其局限性,單一的方法并不能完全解決化合物去重復(fù)的問題,如何綜合利用多數(shù)據(jù)庫和工具高效發(fā)現(xiàn)新型天然產(chǎn)物仍是我們需要思考的問題。
參 考 文 獻(xiàn)
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