Molekulyarnaya Meditsina (Molecular medicine)Molekulyarnaya Meditsina (Molecular medicine)Молекулярная медицина1728-29182499-9490Russkiy Vrach Publishing House71723910.29296/24999490-2026-04-11xcxfkqReviewsОбзорыReview ArticleMetabolic pathways and systemic significance of iron-regulating molecules in microorganismsМетаболические пути и системное значение железорегулирующих молекул микроорганизмовhttps://orcid.org/0000-0003-3882-9300BoikoOksana V.БойкоОксана Витальевна
Russian Federation

Full Professor, Department of Biological Chemistry and Clinical Laboratory Diagnostics; Doctor of Medical Sciences

профессор кафедры биологической химии и клинической лабораторной диагностики; Доктор медицинских наук

oboyko08@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8553-0614TerentievAleksandr A.ТерентьевАлександр Александрович
Russian Federation

Professor, Department of Biochemistry and Molecular Biology, Institute of Physical and Medical Chemistry; Doctor of Medical Sciences, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Professor

профессор кафедры биохимии и молекулярной биологии Института фармации и медицинской химии; Доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАН

aaterent@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6607-430XNikolaevAleksandr A.НиколаевАлександр Аркадьевич
Russian Federation

Head of the Department of Fundamental Chemistry; Doctor of Medical Sciences, Professor

заведующий кафедрой фундаментальной химии; Доктор медицинских наук, профессор

chimnik@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0008-5469-3902KozakDariya M.КозакДарья Михайловна
Russian Federation

Associate Professor of Biological Chemistry and Clinical Laboratory Diagnostics; Candidate of Medical Sciences

ассистент биологической химии и клинической лабораторной диагностики; Кандидат медицинских наук

kodami10@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0009-2592-0325KriventsevYuri A.КривенцевЮрий Алексеевич
Russian Federation

Full Professor, Department of Biological Chemistry and Clinical Laboratory Diagnostics; Doctor of Medical Sciences

профессор кафедры биологической химии и клинической лабораторной диагностики; Доктор медицинских наук

georgy1630@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0003-9814-5098BisalievaRinata A.БисалиеваРината Альбкалиевна
Russian Federation

Associate Professor, Department of Biological Chemistry and Clinical Laboratory Diagnostics; Candidate of Medical Sciences

доцент кафедры биологической химии и клинической лабораторной диагностики; Кандидат медицинских наук

rinabis@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7445-0598MukhamedzyanovaRushaniya I.МухамедзяноваРушания Ибрагимовна
Russian Federation

Associate Professor, Department of Biological Chemistry and Clinical Laboratory Diagnostics; Candidate of Medical Sciences

доцент кафедры биологической химии и клинической лабораторной диагностики; Кандидат медицинских наук

mrushana132@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9768-4423AkhmineevaAziza Kh.АхминееваАзиза Халиловна
Russian Federation

Associate Professor, Department of Health Care Organization and Public Health; Doctor of Medical Sciences

доцент кафедры организации здравоохранения и общественного здоровья; Доктор медицинских наук

aaziza@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0004-5016-9725IvanovaMargarita P.ИвановаМаргарита Петровна
Russian Federation

Assistant Professor, Department of Biological Chemistry and Clinical Laboratory Diagnostics

ассистент кафедры биологической химии и клинической лабораторной диагностики

imp85@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0007-4933-6153MedinaMargarita Yu.МединаМаргарита Юрьевна
Russian Federation

Doctor, Department of Clinical Laboratory Diagnostics, Astrakhan Clinical Hospital

врач, Астраханская клиническая больница

aleeraionel@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0002-8207-1701KriventsevMaksim Yu.КривенцевМаксим Юрьевич
Russian Federation

5th year student

студент V курса

makskr2000@gmail.comFederal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Astrakhan State Medical University” of the Ministry of Health of RussiaФГБОУ ВО Астраханский ГМУ Министерства здравоохранения Российской ФедерацииFederal State Autonomous Educational Institution of Higher Education “Pirogov Russian National Research Medical University” of the Ministry of Health of RussiaФГАОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииFederal State Budgetary Military Educational Institution of Higher Education “S.M. Kirov Military Medical Academy” of the Ministry of Defense of RussiaФГБВОУ ВО Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова Министерства обороны Российской ФедерацииFederal State Budgetary Healthcare Institution “Southern District Medical Center” of the Federal Medical Biological Agency of RussiaФГБУЗ ЮОМЦ ФМБА России1308202624481881208202612082026Copyright ©; 2026, Russkiy Vrach Publishing HouseCopyright ©; 2026, ИД "Русский врач"2026Russkiy Vrach Publishing HouseИД "Русский врач"https://journals.eco-vector.com/1728-2918/article/view/717239

The review aims at analyzing the present-day knowledge of iron-regulating molecules in microorganisms: their synthesis, secretion, the transport systems that facilitate iron uptake into the cell, the role of these molecules in the development of pathological processes in the human body, and the prospects for their use in developing a new generation of antimicrobial agents.

Material and Methods. The authors analyzed full-text articles published in PubMed/Medline from 2021 to 2026. The analysis included full-length articles only. A search for the term “iron-regulating molecules of microorganisms” yielded 78 articles for the specified period. 43 articles that did not correspond to the target topic were excluded from the total list. In total, the analysis included 34 publications found through electronic searching and 16 manually-retrieved articles.

Results. Iron is a mineral essential for the normal functioning of almost all forms of life, and pathogenic microorganisms are no exception. Acting as a cofactor, iron ions are involved in various biochemical processes: the synthesis of nucleic acids and proteins, the regulation of virulence factor expression, the metabolism of reactive oxygen species; therefore, its bioavailability is crucial for the metabolism of bacteria and fungi. In the human body, the level of free iron ions is extremely low, since most of it is either in a stored state or bound to metabolic and transport molecules. Thus, despite the abundance of iron in the human body, the amount available to potential pathogens is negligible. To address this deficiency, many microorganisms have developed systems that allow them to thrive under the deficiency of this chemical element in the host organism. Conclusion. The main functions of iron-regulating molecules consist in converting iron bound to proteins or water-soluble compounds into an ionic form accessible to microorganisms. The loss of the ability to synthesize these molecules correlates with a loss of virulence in microorganisms.

Целью обзора является анализ современных данных о железорегулирующих молекулах микроорганизмов, их синтезе, секреции, транспортных системах, обеспечивающих поступление железа внутрь клетки; роли этих молекул в формировании патологических процессов в организме человека, а также перспектив их использования для создания антимикробных средств нового поколения.

Материал и методы. Проведен анализ опубликованных полнотекстовых статей в PubMed/Medline за 2021–2026 гг. В анализ были включены только полноценные статьи. Поиск термина «iron-regulating molecules of microorganisms» за указанный период выявил 78 статей. Из общего списка были исключены 43 статьи, не соответствующие целевой теме. Всего в анализ включены 34 публикаций из электронного поиска и 16 статей, найденные с помощью ручного поиска.

Результаты. Железо – это минеральный элемент, необходимый практически всем формам жизни для нормального функционирования и патогенные микроорганизмы не являются исключением. Выступая в роли кофактора, ионы железа участвуют в различных биохимических процессах: синтезе нуклеиновых кислот и белков, регуляции экспрессии факторов вирулентности, метаболизме активных форм кислорода, поэтому его биодоступность имеет решающее значение для метаболизма бактерий и грибов. В организме человека уровень свободных ионов железа крайне низок, поскольку большая его часть находится либо в депонированном состоянии, либо в метаболических и транспортных молекулах. Однако несмотря на обилие железа в организме человека, его доступный для потенциальных возбудителей инфекции уровень незначителен. Для преодоления этого лимитирующего фактора многие микроорганизмы сформировали системы, позволяющие им существовать в условиях нехватки данного химического элемента в организме хозяина.

Заключение. Основные функции железорегулирующих молекул заключаются в переводе железа, связанного с белками или водонерастворимыми соединениями, в доступную для микроорганизмов ионную форму. Потеря способности их синтезировать коррелирует с потерей вирулентности микроорганизмами.

iron-regulating moleculesmicroorganismsironpathogenic propertiesжелезорегулирующие молекулымикроорганизмыжелезопатогенные свойстваBullen J.J., Spalding P.B., Ward C.G., Rogers H.J. The role of Eh, pH and iron in the bactericidal power of human plasma. FEMS Microbiol Lett. 1992; 73 (1–2): 47–52. DOI: 10.1016/0378-1097(92)90581-8Wang D., Zhou J., Sun X., Niu X. The Essence of Nature Can be the Simplest (3) Holistic Energy: Extracellular Fenton Reactions of All Cells. Chem Biodivers. 2025. 22 (7): e202500942. DOI: 10.1002/cbdv.202500942Moldogazieva N.T., Terentiev A.A., Mokhosoev I.M., Astakhov D.V. Redox chemistry of early Earth and the origin of life. Commun Chem. 2026; 9: 143. DOI: 10.1038/s42004-026-01969-wLiu L., Wang W., Wu S., Gao H. Recent Advances in the Siderophore Biology of Shewanella. Front. Microbiol. 2022; 13: 823758. DOI: 10.3389/fmicb.2022.823758Torres Salazar B.O., Heilbronner S., Peschel, A., Krismer, B. Secondary Metabolites Governing Microbiome Interaction of Staphylococcal Pathogens and Commensals. Microb. Physiol. 2021; 31: 198–216. DOI: 10.1159/000517082Thomsen E., Wu G., Butler A. Coordination Chemistry of an Emerging Group of Diazeniumdiolate Siderophores: Crystal Structures of M(III)-Gramibactin (M= Fe and Ga). J. Am Chem Soc. 2025; 147 (39): 36007–15. DOI: 10.1021/jacs.5c13791Endo S., Ozawa T., Inomata T., Masuda H. Microorganism Immobilization Device Using Artificial Siderophores. Yakugaku Zasshi. 2024; 144 (6): 643–50. DOI: 10.1248/yakushi.23-00197-3Makris C., Carmichael J.R., Zhou H., Butler A. C-Diazeniumdiolate Graminine in the Siderophore Gramibactin Is Photoreactive and Originates from Arginine. ACS Chem Biol. 2022; 18, 17 (11): 3140–7. DOI: 10.1021/acschembio.2c00593Challis G.L. A widely distributed bacterial pathway for siderophore biosynthesis independent of nonribosomal peptide synthetases. Chem. Bio. Chem. 2005; 6: 601–61. DOI: 10.1002/cbic.200400283Carroll C.S., Moore M.M. Ironing out siderophore biosynthesis: A review of non-ribosomal peptide synthetase (NRPS)-independent siderophore synthetases. Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. 2018; 53: 356–81. DOI: 10.1080/10409238.2018.1476449Lee J.Y., Janes B.K., Passalacqua K.D., Pfleger B.F., Bergman N.H., Liu, H., Håkansson, K., Somu R.V., Aldrich C.C., Cendrowski S. Biosynthetic analysis of the petrobactin siderophore pathway from Bacillus anthracis. J. Bacteriol. 2007; 189: 1698–710. DOI: 10.1128/JB.01526-06Butler A., Jelowicki A.M., Ogasawara H.A., Reitz Z.L., Stow P.R., Thomsen E. Mining elements of siderophore chirality encoded in microbial genomes. FEBS Lett. 2023; 597 (1): 134–40. DOI:10.1002/1873-3468.14539.Friedman D.B., Stauff, D.L., Pishchany, G., Whitwell, C.W., Torres, V.J., Skaar E.P. Staphylococcus aureus Redirects Central Metabolism to Increase Iron Availability. PLoS Pathog. 2026; 2 (8): e87. DOI: 10.1371/journal.ppat.0020087Speziali C.D., Dale S.E., Henderson J.A., Vinés E.D., Heinrichs D.E. Requirement of Staphylococcus aureus ATP-binding cassette-ATPase FhuC for iron-restricted growth and evidence that it functions with more than one iron transporter. J. Bacteriol. 2016; 188 (6): 2048–55. DOI: 10.1128/JB.188.6.2048-2055.2006Kramer J., Özkaya O., Kümmerli R. Bacterial siderophores in community and host interactions. Nat. Rev. Microbiol. 2022; 18: 152–63. DOI: 10.1038/s41579-019-0284-4van Dijk M.C., de Kruijff R.M., Hagedoorn P.L. The Role of Iron in Staphylococcus aureus Infection and Human Disease: A Metal Tug of War at the Host-Microbe Interface. Front Cell Dev Biol. 2022; 10: 857237. DOI: 10.3389/fcell.2022.857237Ghssein G., Ezzeddine Z. The Key Element Role of Metallophores in the Pathogenicity and Virulence of Staphylococcus aureus: A Review. Biology (Basel). 2022; 11 (10): 1525. DOI: 10.3390/biology11101525Rajapitamahuni S., Lyou E.S., Kang B.R., Lee T.K. Microbial interaction-induced siderophore dynamics lead to phenotypic differentiation of Staphylococcus aureus Front Cell Infect Microbiol. 2023; 17: 13: 1277176. DOI: 10.3389/fcimb.2023.1277176Courcol R.J., Trivier D., Bissinger M.C., Martin G.R., Brown M.R. Siderophore production by Staphylococcus aureus and identification of iron-regulated proteins. Infect Immun. 1997; 65 (5): 1944–8. DOI: 10.1128/iai.65.5.1944-1948.1997Patel H., Rawat S. A genetic regulatory see-saw of biofilm and virulence in MRSA pathogenesis. Front Microbiol. 2023; 14: 1204428. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1204428Pecoraro L., Wang X., Shah D., Song X., Kumar V., Shakoor A., Tripathi K., Ramteke P.W., Rani R. Biosynthesis Pathways, Transport Mechanisms and Biotechnological Applications of Fungal Siderophores. J. Fungi (Basel). 2021; 8 (1): 21. DOI: 10.3390/jof8010021Wang M., Li H. J Agric Structure, Function, and Biosynthesis of Siderophores Produced by Streptomyces Species. Food Chem. 2025; 73 (8): 4425–39. DOI: 10.1021/acs.jafc.4c08231Howard D.H., Rafie R., Tiwari A., Faull K.F. Hydroxamate siderophores of Histoplasma capsulatum. Infect Immun. 2000; 68 (4): 2338–43. DOI: 10.1128/IAI.68.4.2338-2343.2000.Bailey D.C., Drake E.J., Grant T.D., Gulick A.M. Structural and Functional Characterization of Aerobactin Synthetase IucA from a Hypervirulent Pathotype of Klebsiella pneumonia. Biochemistry. 2016; 28, 55 (25): 3559–70. DOI: 0.1021/acs.biochem.6b00409Perraud Q., Cantero P., Roche B., Gasser V., Normant V.P., Kuhn L., Hammann P., Mislin G.L.A., Ehret-Sabatier L., Schalk I.J. Phenotypic Adaption of Pseudomonas aeruginosa by Hacking Siderophores Produced by Other Microorganisms. Mol. Cell. Proteomics. 2020; 19 (4): 589–607. DOI: 10.1074/mcp.RA119.001829Cunrath O., Graulier G., Carballido-Lopez A., Pérard J., Forster A., Geoffroy V.A., Saint Auguste P., Bumann D., Mislin G.L.A., Michaud-Soret I., Schalk I.J., Fechter P. The pathogen Pseudomonas aeruginosa optimizes the production of the siderophore pyochelin upon environmental challenges. Metallomics. 2020; 23; 12 (12): 2108–20. DOI: 10.1039/d0mt00029aSchalk I.J., Perraud Q. Pseudomonas aeruginosa and its multiple strategies to access iron. Environ Microbiol. 2023; 25 (4): 811–31. DOI: 10.1111/1462-2920.16328Guo D., Sheng Y., Baars O., Duckworth O.W., Chen P., Zhu Z., Zhang X., Chukwuma E., Gooden D.M., Verbrugge J., Dong H. Contrasting Effects of Catecholate and Hydroxamate Siderophores on Molybdenite Dissolution. Environ Sci Technol. 2025; 14, 59 (1): 533–44. DOI: 10.1021/acs.est.4c11212Sebulsky M.T, Heinrichs D. E Identification and characterization of fhuD1 and fhuD2, two genes involved in iron-hydroxamate uptake in Staphylococcus aureus. J. Bacteriol. 2001; 183 (17): 4994–5000. DOI: 10.1128/JB.183.17.4994-5000.2001Beasley Federico C., Marolda Cristina L., Cheung Johnson, Buac Suzana, Heinrichs David E Staphylococcus aureus transporters Hts, Sir, and Sst capture iron liberated from human transferrin by Staphyloferrin A, Staphyloferrin B, and catecholamine stress hormones, respectively, and contribute to virulence. Infect Immun. 2011; 79 (6): 2345–55. DOI: 10.1128/IAI.00117-11Davidov Y., Tejman-Yarden N., Robinson A., Rahav G., Nissan I. Enterobactin and salmochelin S4 inhibit the growth of Staphylococcus aureus. Front Cell Infect Microbiol. 2025; 15: 1456046. DOI: 10.3389/fcimb.2025.1456046Hoffmann K.M., Kingsbury J.S., March N.L., Jang Y., Nguyen J.H., Hutt M.M. Chemoenzymatic Synthesis of Select Intermediates and Natural Products of the Desferrioxamine E Siderophore Pathway. Molecules. 2022; 27 (19): 6144. DOI: 10.3390/molecules27196144.Ochiai E., Kawabe T., Shionyu M., Hasegawa M. Molecular Structure and Biosynthesis of Pyoverdines Produced by Pseudomonas fulva. Microorganisms. 2025; 17, 13 (6): 1409. DOI: 10.3390/microorganisms13061409Yang C., Wang L., Lv J., Wen Y., Gao Q., Qian F., Tian X., Zhu J., Zhu Z., Chen L., Du H. Effects of different carbapenemase and siderophore production on cefiderocol susceptibility in Klebsiella pneumoniae. Antimicrob Agents Chemother. 2024; 5, 68 (12): e0101924. DOI: 10.1128/aac.01019-24Khasheii B., Mahmoodi P., Mohammadzadeh A. Siderophores: Importance in bacterial pathogenesis and applications in medicine and industry. Microbiol Res. 2021; 250: 126790. DOI: 10.1016/j.micres.2021.126790Boiko O., Mukhamedzyanova R., Dotsenko Yu., Ramaeva A., Akhadov S., Zaporozhets N., Dmitrieva V., Karimov I. Synthesis of protein that is immunochemically similar to human lactoferrin by Klebsiella pneumonia. Archiv – Euromedika. 2022; 12 (2): 38–41. DOI: 10.35630/2199-885X/2022/12/2.8Mathlouthi N.E.H., Kriaa A., Keskes L.A., Rhimi M., Gdoura R. Virulence Factors in Colorectal Cancer Metagenomes and Association of Microbial Siderophores with Advanced Stages. Microorganisms. 2022; 30, 10 (12): 2365. DOI: 10.3390/microorganisms10122365.