從大腸桿菌里“飄”出來的“彩虹”，通過加減基因使細菌生產(chǎn)天然顏料

韓國高級科學技術研究所的化學和生物分子工程師Sang Yup Lee表示，消費者愿意為天然染色劑買單。

Sang Yup Lee現(xiàn)任韓國科學技術院化學與生物分子工程學特聘教授，生物過程工程研究中心主任和生物信息學研究中心，同時也是美國國家科學院和美國國家工程院外籍院士。

日前，Lee和他的團隊對大腸桿菌進行了基因改造，使其成為能夠產(chǎn)生七種彩虹色料的菌株。除了經(jīng)過充分研究的著色劑蝦青素（紅色）、β-胡蘿卜素（橙色）和玉米黃質（黃色）之外，紫羅蘭素、脫氧紫羅蘭素原、紫羅蘭素和脫氧紫羅蘭素分別作為天然綠色、藍色、海軍藍和紫色著色劑生產(chǎn)。

一些染料可以從植物中自然產(chǎn)生。例如，靛藍是從Indigofera屬物種的葉子中提取的。但這個任務是由人力來完成的，致使顏色多變，難以把握。合成替代品可能涉及有毒前體和副產(chǎn)品，有時會作為污染物釋放。因此，Lee和他的同事著手設計大腸桿菌以制造七種天然染料。

天然著色劑可大致分為親水性和疏水性化合物。當由微生物產(chǎn)生時，親水性化合物通過轉運蛋白擴散或分泌到培養(yǎng)基中，而疏水性化合物則在細胞內(nèi)或細胞膜內(nèi)積累。特別是，由于細胞積累這些化合物的先天能力及其可能的細胞毒特性有限，疏水性化合物（即類胡蘿卜素、雙吲哚色素）的高水平生產(chǎn)一直存在問題。

最近的幾項研究試圖通過膜工程來解決這個問題，例如增加膜面積或通過形成細胞內(nèi)脂滴作為疏水性化合物的細胞內(nèi)儲庫。雖然已經(jīng)有關于采用形態(tài)學工程和形成內(nèi)膜囊泡（IMV）或外膜囊泡（OMV）來增強疏水化合物的產(chǎn)生的初步報告，但這些膜工程策略的組合應用沒有被報道。盡管有這些嘗試，天然著色劑的效價需要進一步提高以用于工業(yè)應用。

Lee和他的團隊對大腸桿菌進行了基因改造，他們沒有完全切除在某些情況下可能會殺死細菌的相關基因，而是引入了一小段RNA序列，從而“沉默”了這些不需要但必不可少的基因。他們還插入了一個人類基因，使細菌在它們的膜上形成微小的小袋，以獲得更大的表面積。使細胞變得更長，然后將一些額外的膜表面積轉化為可以包圍和排出積累的化學物質的囊。

用于增強彩虹著色劑生產(chǎn)的形態(tài)學工程和IMV形成

形成OMV以增強彩虹著色劑的生產(chǎn)

Lee說，他的大腸桿菌生產(chǎn)方法沒有毒性，可以應用于今天的工業(yè)一一但“有些顏色會更貴，因為‘濃度仍然很低且生產(chǎn)起來還是很困難?！?/p>

沒有參與這項研究的杜克大學生物化學家Meta Kuehn說，這項新技術最終可以幫助改造微生物來生產(chǎn)疏水性抗生素。她說，這種能力“對于生產(chǎn)一些真正難以合成的抗生素來說是一個很好的來源?！?/p>

Lee已從事代謝工程26年，并將這些食品和服裝的彩虹色染料描述為他對工業(yè)化學品生產(chǎn)的最新嘗試，其中還包括制造化妝品和藥物中的化合物。他笑著補充說，這是他同事之間的一個笑話，他的目標是生產(chǎn)化學家必讀的Sigma-Aldrich目錄中的每一種化合物。（摘自美《深科技》）（編輯/多洛米）