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从真菌中提取出蓝色色素,助力纺织业染色

2019-06-24TBS信息中心

    通常情况下,基础科学研究结果离可以立即向公众推出的产品还有许多步之遥,但每隔一段时间,机会就会早早出现。美国能源部联合生物能源研究所(JBEI)的一个团队就是这样一个例子。该团队在研究基于微生物的生物制造时,采用了开箱即用的思维方式,直接开发出了一种名为靛玉苷(indigoidine)的蓝色颜料环保生产平台。与合成靛蓝(世界各地用于给牛仔布和许多其他物品上色的一种染料)一样,鲜艳的饱和色调与之相似。

  领导JBEI主工程团队的首席研究员Aindrila Mukhopadhyay说:最初是从植物中提取的靛蓝,现在使用的大多数靛蓝都是合成的,这些工艺既高效又便宜,但它们往往需要有毒化学物质,产生大量危险废物。通过研究,现在有了一种有效生产蓝色颜料的方法,这种颜料使用廉价、可持续的碳源,而不是粗糙的前体,到目前为止,该平台兑现了扩大商业市场规模的许多承诺。重要的是,这些市场对科学家们希望供应的东西已经有了相当大需求。

  在与纺织业的许多主要利益相关者会面后,该团队发现,由于客户越来越意识到传统染料的影响,许多公司都渴望获得更可持续的颜料来源。社会似乎正在发生转变,人们想要更好的生产日常产品的过程,这正是JBEI试图做的,使用来自生物系统的工具,碰巧工程生物平台工作得很好。当研究小组开始测试一种名为红孢子虫,耐受性强的真菌如何表达非核糖体肽合成酶(NRPSs)时,这个故事就开始了。

  NRPSs是细菌和真菌用来组装重要化合物的大型酶,科学家们通过将细菌NRPS插入其基因组来检测这种真菌的NRPS表达能力,选择了一种NRPS,这种NRPS能将两种氨基酸分子转化为靛苷(一种蓝色),从而更容易判断菌株工程是否奏效,很简单,当它发生时,文化会变成蓝色。在这个实验中,靛蓝本身并不是研究小组的主要兴趣所在。相反,关注的是更大的图景:探索如何利用这些酶的装配线功能,为有价值的有机化合物(如生物燃料)创建生物合成制造途径。

  并评估真菌是否代表了生产这些化合物的良好宿主物种,但是当培育了基因工程菌株,看到了这种蓝色的培养物,研究人员就知道发生了一些不可思议的事情。在每升生物反应器培养物中,靛嘌呤的平均效价为86克,将其命名为蓝花,其产量是迄今为止所报道最高的(包括JBEI团队在内的其他研究小组已经使用不同的宿主微生物合成了靛玉苷)。更重要的是,破纪录的产量是通过使用来自可持续植物材料的营养和前体投入培养过程获得。

  以前的方法需要更昂贵的投入,但产生的靛青苷量只有现在的十分之一左右。除了靛玉定的潜在应用,该研究还成功地实现了最初目标,即为其他nrps提供潜在的生产途径——这比任何单一产品都更有价值。这些复杂的酶有多个亚基,每个亚基在将较小分子组装成化合物的过程中发挥着独特而可预测的作用。JBEI和beyond科学家们热衷于利用NRPSs的乐高积木样功能来设计酶,以生产目前难以制造的先进生物产品。一大挑战是找到一种微生物来有效地表达这种酶,这个东道主有巨大的潜力来满足这种需求。


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