生物工程領域的重大突破：

科學家利用微生物生長實現紅眼色素的可持續生產
2025年11月3日，一項發表於《自然生物技術》期刊的突破性研究，揭示了一種創新的微生物生長耦合生物合成策略，該策略將細菌生長與紅眼色素（xanthommatin）的生物合成直接聯繫起來。紅眼色素是一種複雜的動物色素，在材料科學和化妝品領域具有巨大的應用潛力。這項研究成果代表了合成生物學和代謝工程領域的重大進展，有望解決長期以來困擾結構複雜天然產物高效微生物生產的挑戰。

紅眼色素：一種極具潛力的天然色素

紅眼色素是一種天然存在的色素，屬於動物體內的 ommochrome 類別。它以其引人注目的顏色變化特性和複雜的化學結構而聞名。由於其獨特的性質，紅眼色素在生物基著色劑和功能材料等領域具有廣泛的應用前景。然而，傳統的微生物宿主生物合成紅眼色素的方法一直受到產量低和優化過程成本高昂的困擾。傳統的異源表達策略通常只能產生痕量的目標分子，需要長時間的反覆菌株工程改造，這耗費了大量的時間和資源。

創新策略：生長耦合生物合成

為了克服這些限制，研究人員開發了一種生長耦合生物合成策略。這種策略的核心思想是建立一個反饋迴路，其中一個被切割掉的一碳 (C1) 單元被用作細菌生長的驅動因素，同時促進目標化合物的生物生產。具體來說，研究團隊設計了一種經過基因改造的 *Pseudomonas putida* 菌株，使其成為 5,10-亞甲基四氫葉酸營養缺陷型菌株。這種菌株被命名為 PUMA，其生長受到內源性甲酸的控制，而甲酸是在色氨酸轉化為紅眼色素的多步驟過程中作為耦合生物合成副產物共同產生的。

適應性實驗室進化 (ALE) 的應用

為了進一步優化紅眼色素的生產，研究人員採用了適應性實驗室進化 (ALE) 技術。ALE 是一種強大的工具，可以在特定的選擇條件下加速有益突變的產生。通過在含有有限 C1 來源的培養基中培養經過基因改造的 *Pseudomonas putida* 菌株，研究人員施加了進化壓力，從而富集了表現出改善的紅眼色素產量以及恢復的生長速率的變異株。這些進化後的菌株能夠利用廉價的葡萄糖原料實現克級的色素生產，證明了其可擴展性和工業應用前景。

研究成果的意義與影響

這項研究成果具有多方面的意義：

可持續生產：

該研究報告的克級紅眼色素產量代表了商業部署的一個切實里程碑，為從動物來源提取或使用苛刻條件和不可再生材料的化學合成途徑提供了一種替代方案。

綠色化妝品和功能材料：

紅眼色素的可持續微生物生物製造為綠色化妝品、響應性材料，甚至具有可調節顏色特性的生物功能染料開闢了令人興奮的可能性。

合成生物學的進步：

這種生長耦合生物合成策略為其他複雜天然產物的微生物生產提供了一個藍圖。通過將目標分子的生物合成與微生物生長直接聯繫起來，可以顯著提高生產效率並降低成本。

一碳代謝的應用：

該研究強調了一碳代謝在生物合成中的重要性。通過利用一碳單元作為細菌生長的驅動因素，研究人員成功地克服了傳統生物合成方法的限制。

未來展望

儘管這項研究取得了顯著的進展，但仍有許多方面值得進一步探索和優化。例如，可以通過進一步的菌株工程改造和工藝優化來提高紅眼色素的產量。此外，還可以探索將這種生長耦合生物合成策略應用於其他有價值的天然產物。

結論

總而言之，這項研究代表了紅眼色素微生物生產領域的重大突破。通過開發一種創新的生長耦合生物合成策略，研究人員成功地實現了紅眼色素的可持續和高效生產。這項研究成果不僅為綠色化妝品和功能材料等領域開闢了新的可能性，也為合成生物學和代謝工程領域的未來發展方向提供了重要的啟示。可以預見，隨著研究的深入和技術的進步，微生物生物製造將在天然產物的生產中發揮越來越重要的作用，為人類社會帶來更多的福祉。

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原始資料來源: GO-AI-6號機 Date: November 3, 2025