微生物還能產(chǎn)生染料？合成生物學(xué)技術(shù)制造胭脂紅酸

天然染料界曾流傳這樣一句話，只有碾碎的昆蟲和森林植物才能浸染出最生動的顏色。

由此可見，以往大多數(shù)天然染料都是從動物或植物中獲取， 如植物染料：紫草（紫色）、蘇木（ 黑色） 、黃梔子（ 黃色）和蘇枋（紅色）等，動物染料：胭脂紅酸和推羅紫等。近年來，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，研究人員正著手工程化改造微生物使其生成染料。

“它有可能改變該化合物的生產(chǎn)范式。”丹麥技術(shù)大學(xué)的合成生物學(xué)家Rasmus JN Frandsen如此評價工程改造微生物生成染料。

以胭脂紅酸為例，它是一種在胭脂蟲（ 即Dactylopius coccus，長約0.2英寸的橢圓形介殼蟲 ）中發(fā)現(xiàn)的芳香族聚酮化合物，常被用來為食品、紡織品和化妝品著色。胭脂紅酸的使用可追溯到幾千年前的瑪雅和阿茲特克帝國統(tǒng)治時期，當(dāng)時存在的猩紅色商品就被證明是經(jīng)胭脂紅酸染色的。1967年～2009年，美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)將胭脂紅酸用于各種酸奶、蛋糕、糖果、飲料和肉類等各種食品。

它的制造過程一般是這樣的：工人們首先在其選擇的仙人掌（也稱為梨仙人掌或胭脂）上飼養(yǎng)胭脂蟲，將其曬干賣給加工商，加工商將蟲子磨成粉末，將粉末與鹽配對以分離胭脂紅酸。使用目前的方法，估計需要7萬只蟲子才能生產(chǎn)1磅干昆蟲和0.2磅胭脂紅酸。

隨著全球?qū)﹄僦t酸的需求增加，伴隨著不斷攀升的勞動力成本，胭脂紅酸產(chǎn)業(yè)變得緊張起來。在胭脂蟲最大的生產(chǎn)國秘魯，每噸胭脂紅酸染料的價格在2013年～2019年間上漲了40%。

價格也并不是它唯一的問題。2018年，一篇來自于日本的研究報告也指出， 由于殘留的昆蟲分子， 一小部分人會對胭脂蟲染料產(chǎn)生過敏反應(yīng)， 即使該水平不高于其他常見過敏原。

因此， 科研人員將生產(chǎn)新的胭脂紅酸方法轉(zhuǎn)向代謝工程，即操縱生物內(nèi)部的代謝途徑以生產(chǎn)胭脂紅酸，但挑戰(zhàn)在于制造胭脂紅酸的完整生化途徑未知。上文中提到的Frandsen團隊決定從胭脂紅酸的結(jié)構(gòu)開始，找出如何用已知生化途徑的酶對其逆向工程。

Frandsen團隊首先預(yù)測了所需的起始成分、生化步驟和催化這些步驟的酶。他們設(shè)計了8種可能產(chǎn)生胭脂紅酸的潛在生化途徑， 并測試了幾種宿主進行基因工程，最終確定了一種真菌Aspergillus nidulans。

通過反復(fù)實驗，該團隊在從真菌中刪除一些基因（以禁用競爭生化途徑）并添加其他幾個提供適當(dāng)酶的基因（一個來自植物，兩個來自細菌）后，創(chuàng)建了胭脂紅酸的三環(huán)核心，這個核心經(jīng)Aspergillus nidulans中已經(jīng)存在的一種未知酶加工后， 產(chǎn)生一種叫做kermesic的中間結(jié)構(gòu)。

最后，加入胭脂蟲本身含有的可轉(zhuǎn)化為胭脂紅酸的酶的基因，發(fā)現(xiàn)該真菌可產(chǎn)生胭脂紅酸。該研究成果于2018年8月以“Heterologousproduction of the widely used natural food colorantcarminic acid in Aspergillus nidulans”為題發(fā)表在Scientific reports上。但當(dāng)時反應(yīng)的效率遠不足以考慮大規(guī)模生產(chǎn)，而且由于其中一種酶仍然未知，因此很難優(yōu)化生產(chǎn)。

2021年4月，來自韓國科學(xué)技術(shù)高等研究院的Sang Yup Lee課題組在 JACS上首次報告了用工程化大腸桿菌從葡萄糖生物合成胭脂紅酸的工作，經(jīng)過簡單的代謝工程，隨后分批補料發(fā)酵，可從葡萄糖生產(chǎn)0.63±0.02mg/L的胭脂紅酸。

這次實驗規(guī)模雖然仍較小，但科學(xué)家表示，如果擴大規(guī)模，并假設(shè)每升生產(chǎn)5克胭脂紅酸，那么在1 0萬升發(fā)酵罐中培養(yǎng)大腸桿菌5天即可產(chǎn)生，而這將需要消耗一公頃仙人掌上生長的胭脂蟲一年的時間。

Frandsen表示，這兩項研究表明了合成生物學(xué)巨大的潛力，但在將這一過程擴大到工業(yè)水平之前，仍有很多工作要做，如調(diào)整微生物中各種酶的數(shù)量或效率，以優(yōu)化胭脂紅酸的產(chǎn)生并減少不需要的副產(chǎn)物的數(shù)量。