合成生物学，加速天然色素及其衍生品开发生产

基于合成生物学的天然色素发现生产策略

文中指出，目前天然色素依然十分有限。很大一部分着色剂尚未发现的主要因素是本土生产者的可获得性有限，特别是在深海和丛林中，估计有 80% 以上的生物是未知的。

为此，作者提出了通过酶进行 糖基化，新酶的发现 等多种方式和加强现有的天然色素及其衍生品的生产。

(D) (i) 构建组合途径以实现色素. (ii) 利用定制酶和补充不同的前体来实现色素

糖基化修饰

通过酶促反应直接修饰天然色素对于扩大其色谱范围和增强其化学和物理性质具有重要意义。 糖基化 是其中一种代表性的策略，用于提高天然色素的溶解度、稳定性和/或生物利用度。

• 增强化学稳定性

例如在无梗五加中发现的花 青素-3- O-接骨木糖苷 ，在光照（荧光和紫外线）和高温（80°C）条件下，比普通花青素更稳定。

另一个例子是 藻红蛋白 ，利用转谷氨酰胺酶将藻红蛋白与寡聚壳聚糖进行糖基化，生成寡聚壳聚糖修饰的 藻红蛋白复合物 (OMPC) 在温度升高时（ 40°C 升至 80°C），OMPC 表现出显著增强的热稳定性。

• 提高水溶性

例如，由绿色木霉的纤维素酶和β-1,3-葡聚糖酶产生的5- O -α- d-吡喃葡萄糖基-(+)-儿茶素（黄色，logP=-0.34），其 水溶性超过300g/L ，普通儿茶素水溶性低于 10 g/L。

• 改变颜色

当糖分子与着色剂结合时，着色剂的最大吸收波长通常会降低，导致色调发生蓝移。

例如，蜡状芽孢杆菌的 BcGT-1 对木犀草素（黄色）进行 O -糖基化 ，导致生产木犀草素 7- O-葡萄糖苷（洋蓟苷） 呈深黄色 ，而玉米中 UDP 依赖性糖基转移酶 (UGT708A6) 的 C-糖基化 导致生产具有淡 黄色色调 的木犀草素-8- C-葡萄糖苷（ 金圣草黄素）。

酶定向进化产生新的色素

除了我们熟知的提高酶效率以提高产量，定向进化还可用于改变底物或产物的特异性，使工程酶变体能够催化全新的反应。

一个代表性的例子是 生产非自然的具有不同碳链长度的类胡萝卜素 。将来自金黄色葡萄球菌的C 30 类胡萝卜素合酶 (CrtM)与来自Erwinia uredovora的进化的番茄红素环化酶 (CrtY) 和去饱和酶 (CrtI) 一起引入底盘菌株，并改变了底物特异性，从而 产生了生产十种以前未表征的 C35 类胡萝卜素 。

定向进化也被用来生产其他非天然色素。

6,6′-二溴靛蓝（泰尔紫）在古代曾用于染色皇家服装，以前是从海螺中提取，后续将大芽孢杆菌中突变的的 P450BM3 过氧化酶引入大肠杆菌成功生产6,6′-二溴靛蓝。

定制酶组合连接新的功能基团

使用三种具有不同区域特异性的卤化酶（色氨酸 6-卤化酶 SttH、色氨酸 5-卤化酶 PyrH 和色氨酸 7-卤化酶 RebH），并补充各种卤化盐，可以生产各种 卤化靛蓝衍生品： 包括 泰尔紫、 6,6′-二氯靛蓝（粉红色）、5,5′-二溴靛蓝（天蓝色）和 7,7′-二溴靛蓝（浅棕色）。

负责生产靛蓝和靛玉红的产物含黄素单加氧酶（FMO），向其中添加半胱氨酸，可以抑制吲哚酚的二聚化，从而很好地产生与吲哚酚反应的靛玉红前体 2-半胱氨酸吲哚酮。

天然色素代表性化合物的生物合成途径

小结

化学修饰（如甲基化、糖基化、氧化、还原或卤化）天然色素可以显著改变其化学和物理性质，增强其对温度、pH 和光的稳定性，提高溶解度，拓宽色谱。由于许多天然色素和他们的衍生品可以使用不同的酶组合来生产，一旦获得适当的酶，它们的组合使用（以“即插即用”模式）对于扩大产品组合至关重要。

资料来源：

https://pubs-acs-org-443.webvpn.zafu.edu.cn/doi/10.1021/acssynbio.4c00799