微生物生产天然红色色素胭脂红酸

KAIST的一个研究小组设计了一种细菌，该细菌能够产生天然的红色着色剂胭脂红酸，广泛用于食品和化妆品。该研究小组报告了工程化大肠杆菌中由葡萄糖完成的氨基甲酸的完整生物合成。该策略对于涉及未知酶的生物合成途径的设计和构建以及因此对于食品，制药和化妆品工业的多种工业上重要的天然产物的生产将是有用的。

胭脂红酸是一种天然的着色剂红色广泛被用于产品，如草莓牛奶和口红。但是，胭脂虫酸是通过种植胭脂虫产生的，胭脂虫是一种仅在秘鲁和加那利群岛周围地区生长的鳞屑昆虫，然后进行了复杂的多步纯化过程。此外，氨基甲酸通常含有引起过敏的蛋白质污染物，因此许多人不愿食用由昆虫驱动的着色剂制成的产品。因此，尽管胭脂红酸是最稳定的天然红色着色剂之一，但世界各地的制造商仍在使用替代红色着色剂。

这些挑战激发了KAIST的代谢工程研究小组来解决这个问题。它的成员包括博士后研究员Dongsoo Yang和Woo Dae Jang，以及化学和生物分子工程系的杰出教授Sang Yup Lee。这项名为“通过代谢工程化大肠杆菌生产氨基甲酸的研究”的研究成果于4月2日在线发表在《美国化学学会杂志》(JACS)上。

这项研究首次报道了能够通过代谢工程和计算机模拟辅助酶工程从葡萄糖生产氨基甲酸的细菌菌株的开发。该研究小组优化了II型聚酮化合物合酶机制，以有效生产胭脂红酸，黄酮戊酸的前体。

由于未发现负责其余两个反应的酶，也不起作用，因此进行了生化反应分析，以鉴定可将黄酮戊酸转化为氨基甲酸的酶。然后，进行同源性建模和对接模拟，以增强两种已鉴定酶的活性。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氨基甲酸。发现该研究中开发的C-葡萄糖基转移酶通常可用于其他天然产品，这是成功生产芦荟叶中发现的另一种产品芦荟素所展示的。

“这项研究中最重要的部分是，通过生化反应分析和计算机模拟辅助的酶工程技术鉴定并改进了用于生产目标天然产物的未知酶，” Yongsoo Yang博士说。他解释说，普遍适用的C-葡萄糖基转移酶的开发也是有用的，因为C-葡萄糖基化是包括大肠杆菌在内的细菌中相对未开发的反应。使用在这项研究中开发的C-葡萄糖基转移酶，成功地从葡萄糖中生产了氨基甲酸和芦荟素。

“这项研究首次实现了一种可持续的，无虫的生产氨基甲酸的方法。未知或效率低下的酶一直是天然产物生物合成中的主要问题，在这里，我们提出了解决这一问题的有效解决方案。在老龄化社会中保持良好健康正变得越来越重要，我们希望这里开发的技术和策略将在生产其他具有医学或营养价值的有价值的天然产品中发挥关键作用。”

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