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真菌靛藍技術,助力牛仔綠色發展

  通常情況下,基礎科學研究結果離可以立即向公眾推出的產品還有許多步之遙,但每隔一段時間,機會就會早早出現。美國能源部聯合生物能源研究所(JBEI)的一個團隊就是這樣一個例子。該團隊在研究基于微生物的生物制造時,采用了開箱即用的思維方式,直接開發出了一種名為靛玉苷(indigoidine)的藍色顏料環保生產平臺。與合成靛藍(世界各地用于給牛仔布和許多其他物品上色的一種染料)一樣,鮮艷的飽和色調與之相似。

  領導JBEI主工程團隊的首席研究員Aindrila Mukhopadhyay說:最初是從植物中提取的靛藍,現在使用的大多數靛藍都是合成的,這些工藝既高效又便宜,但它們往往需要有毒化學物質,產生大量危險廢物。通過研究,現在有了一種有效生產藍色顏料的方法,這種顏料使用廉價、可持續的碳源,而不是粗糙的前體,到目前為止,該平臺兌現了擴大商業市場規模的許多承諾。重要的是,這些市場對科學家們希望供應的東西已經有了相當大需求。

  在與紡織業的許多主要利益相關者會面后,該團隊發現,由于客戶越來越意識到傳統染料的影響,許多公司都渴望獲得更可持續的顏料來源。社會似乎正在發生轉變,人們想要更好的生產日常產品的過程,這正是JBEI試圖做的,使用來自生物系統的工具,碰巧工程生物平臺工作得很好。當研究小組開始測試一種名為紅孢子蟲,耐受性強的真菌如何表達非核糖體肽合成酶(NRPSs)時,這個故事就開始了。

  NRPSs是細菌和真菌用來組裝重要化合物的大型酶,科學家們通過將細菌NRPS插入其基因組來檢測這種真菌的NRPS表達能力,選擇了一種NRPS,這種NRPS能將兩種氨基酸分子轉化為靛苷(一種藍色),從而更容易判斷菌株工程是否奏效,很簡單,當它發生時,會變成藍色。在這個實驗中,靛藍本身并不是研究小組的主要興趣所在。相反,關注的是更大的圖景:探索如何利用這些酶的裝配線功能,為有價值的有機化合物(如生物燃料)創建生物合成制造途徑。

  并評估真菌是否代表了生產這些化合物的良好宿主物種,但是當培育了基因工程菌株,看到了這種藍色的培養物,研究人員就知道發生了一些不可思議的事情。在每升生物反應器培養物中,靛嘌呤的平均效價為86克,將其命名為藍花,其產量是迄今為止所報道最高的(包括JBEI團隊在內的其他研究小組已經使用不同的宿主微生物合成了靛玉苷)。更重要的是,破紀錄的產量是通過使用來自可持續植物材料的營養和前體投入培養過程獲得。

  以前的方法需要更昂貴的投入,但產生的靛青苷量只有現在的十分之一左右。除了靛玉定的潛在應用,該研究還成功地實現了最初目標,即為其他nrps提供潛在的生產途徑——這比任何單一產品都更有價值。這些復雜的酶有多個亞基,每個亞基在將較小分子組裝成化合物的過程中發揮著獨特而可預測的作用。JBEI和beyond科學家們熱衷于利用NRPSs的樂高積木樣功能來設計酶,以生產目前難以制造的先進生物產品。一大挑戰是找到一種微生物來有效地表達這種酶,這個東道主有巨大的潛力來滿足這種需求。

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