Mikrobiel produktion af et naturligt rødt farvestof karminsyre

En forskergruppe ved KAIST har konstrueret en bakterie, der er i stand til at producere et naturligt rødt farvestof, karminsyre, som er meget brugt til fødevarer og kosmetik. Forskerholdet rapporterede den komplette biosyntese af karminsyre fra glucose i konstrueret Escherichia coli. Strategierne vil være nyttige til design og konstruktion af biosyntetiske veje, der involverer ukendte enzymer og dermed produktionen af ​​forskellige industrielt vigtige naturlige produkter til fødevarer, farmaceutiske, og kosmetiske industrier.

Karminsyre er et naturligt rødt farvestof, der i vid udstrækning anvendes til produkter som jordbærmælk og læbestift. Imidlertid, karminsyre er blevet produceret af opdræt af cochenille, et skælinsekt, der kun vokser i regionen omkring Peru og De Kanariske Øer, efterfulgt af en kompliceret oprensningsproces i flere trin. I øvrigt, karminsyre indeholder ofte proteinforureninger, der forårsager allergi, så mange mennesker er uvillige til at forbruge produkter lavet af insektdrevne farvestoffer. På den konto, producenter over hele verden bruger alternative røde farvestoffer på trods af, at karminsyre er et af de mest stabile naturlige røde farvestoffer.

Disse udfordringer inspirerede forskergruppen for metabolisk ingeniørarbejde på KAIST til at løse dette problem. Dets medlemmer omfatter postdoktorale forskere Dongsoo Yang og Woo Dae Jang, og den fremtrædende professor Sang Yup Lee fra Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik. Denne undersøgelse med titlen "Produktion af karminsyre af metabolisk manipuleret Escherichia coli" blev offentliggjort online i Journal of the American Chemical Society ( JACS ) den 2. april.

Denne forskning rapporterer for første gang udviklingen af ​​en bakteriestamme, der er i stand til at producere karminsyre fra glukose via metabolisk manipulation og computersimuleringsassisteret enzymteknik. Forskergruppen optimerede type II polyketidsyntasemaskineriet til effektivt at producere forstadiet til karminsyre, flavokermesinsyre.

Da enzymerne, der er ansvarlige for de resterende to reaktioner, hverken blev opdaget eller funktionelle, biokemisk reaktionsanalyse blev udført for at identificere enzymer, der kan omdanne flavokermesinsyre til karminsyre. Derefter, homologi modellering og docking simuleringer blev udført for at øge aktiviteterne af de to identificerede enzymer. Holdet kunne bekræfte, at den endelige konstruerede stamme kunne producere karminsyre direkte fra glucose. C-glucosyltransferasen udviklet i denne undersøgelse viste sig at være generelt anvendelig til andre naturlige produkter, hvilket fremgik af den succesfulde produktion af et yderligere produkt, aloesin, som findes i aloe blade.

"Den vigtigste del af denne forskning er, at ukendte enzymer til produktion af naturlige målprodukter blev identificeret og forbedret ved biokemiske reaktionsanalyser og computersimuleringsassisteret enzymteknik, " siger Dr. Dongsoo Yang. Han forklarede, at udviklingen af ​​en generelt anvendelig C-glucosyltransferase også er nyttig, da C-glucosylering er en relativt uudforsket reaktion i bakterier inklusive Escherichia coli. Ved at bruge C-glucosyltransferase udviklet i denne undersøgelse, både karminsyre og aloesin blev med succes fremstillet ud fra glukose.

"En bæredygtig og insektfri metode til fremstilling af karminsyre blev opnået for første gang i denne undersøgelse. Ukendte eller ineffektive enzymer har altid været et stort problem i biosyntese af naturlige produkter, og her foreslår vi en effektiv løsning til at løse dette problem. I takt med at opretholdelse af et godt helbred i det aldrende samfund bliver stadig vigtigere, vi forventer, at den teknologi og de strategier, der er udviklet her, vil spille en afgørende rolle i fremstillingen af ​​andre værdifulde naturprodukter af medicinsk eller ernæringsmæssig betydning, " sagde den ærede professor Sang Yup Lee.