韩国科学技术院的一个研究小组已经设计出一种细菌,这种细菌能够产生一种天然红色着色剂:胭脂红酸,广泛用于食品和化妆品。研究小组报道了在工程大肠杆菌中从葡萄糖完全生物合成胭脂红酸。该策略将有助于设计和构建包含未知酶的生物合成途径,从而为食品、制药和化妆品行业生产多种工业上重要的天然产品。


胭脂红酸是一种天然的红色着色剂,广泛用于草莓牛奶和口红等产品。然而,胭脂虫(一种只生长在秘鲁和加那利群岛附近地区的介壳昆虫)通过复杂的多级净化过程产生胭脂酸。此外,胭脂红酸通常含有导致过敏的蛋白质污染物,所以很多人不愿意食用由昆虫驱动的着色剂制成的产品。因此,世界各地的制造商都在使用替代性的红色着色剂,尽管胭脂红酸是最稳定的天然红色着色剂之一。

研究小组首次使细菌生产了天然红色着色剂胭脂红酸

图:从葡萄糖生产氨基甲酸的示意性生物合成途径。使用生化反应分析和计算机模拟辅助的酶工程来鉴定和改进负责后两个反应的酶(DnrFP217K和GtCGTV93Q / Y193F)。


这些挑战启发了韩国科学技术院的代谢工程研究小组解决这个问题。其成员包括博士后杨东洙、张宇大和化学与生物分子工程学系特聘教授李生叶。这项题为“Production of carminic acid by metabolically engineered Escherichia coli”的研究发表在4月2日的《美国化学学会杂志》(JACS)上。


本研究首次报道了利用代谢工程和计算机模拟辅助酶工程技术开发一株能从葡萄糖中产生胭脂红酸的菌株。本课题组优化了II型聚酮合酶机制,有效地生产胭脂酸前体黄酮酸。


由于没有发现负责其余两个反应的酶,也没有发现它们的功能,所以我们进行了生化反应分析,以确定能将黄皮酸转化为胭脂酸的酶。然后,进行同源建模和对接仿真,以增强这两种酶的活性。研究小组可以确认最终的工程菌株可以直接从葡萄糖中产生胭脂红酸。在本研究中开发的c -葡萄糖基转移酶被发现普遍适用于其他天然产品,如成功生产的另一种产品,芦荟素,发现在芦荟叶子。

研究小组首次使细菌生产了天然红色着色剂胭脂红酸

这项研究最重要的部分是通过生化反应分析和计算机模拟辅助的酶工程来识别和改进用于生产目标天然产物的未知酶,Dongsoo Yang博士解释说,开发一种普遍适用的c -葡糖基转移酶也很有用,因为c -葡糖基化在包括大肠杆菌在内的细菌中是一种相对未被研究过的反应。利用本研究开发的c -葡萄糖基转移酶,成功地从葡萄糖中制备出胭脂酸和芦荟素。


本研究首次实现了一种可持续的、无虫的胭脂酸生产方法。未知或低效酶一直是天然产物生物合成中的一个主要问题,本文提出了一种有效的解决方案。在老龄化社会中,保持健康变得越来越重要,我们期望这里发展的技术和策略将在生产其他有价值的医学或营养价值的天然产品方面发挥关键作用,著名教授Sang Yup Lee说。


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