Naturlige regnbuefarver fremstilles mikrobielt

En forskergruppe ved KAIST har konstrueret bakteriestammer, der er i stand til at producere tre carotenoider og fire violaceinderivater, fuldender de syv farver i regnbuespektret. Forskerholdet integrerede systemmetabolisme og membrantekniske strategier til produktion af syv naturlige regnbuefarvestoffer i konstruerede Escherichia coli-stammer. Strategierne vil også være nyttige til effektiv produktion af andre industrielt vigtige naturprodukter, der anvendes i fødevaren, farmaceutisk, og kosmetiske industrier.

Farvestoffer er meget udbredt i vores liv og er direkte relateret til menneskers sundhed, når vi spiser fødevaretilsætningsstoffer og bruger kosmetik. Imidlertid, de fleste af disse farvestoffer er fremstillet af råolie, forårsager uventede bivirkninger og helbredsproblemer. Desuden, de rejser miljøproblemer såsom vandforurening fra farvning af stof i tekstilindustrien. Af disse grunde, efterspørgslen efter produktion af naturlige farvestoffer ved hjælp af mikroorganismer er steget, men kunne ikke uden videre realiseres på grund af bioprocessernes høje omkostninger og lave udbytte.

Disse udfordringer inspirerede metaboliske ingeniører på KAIST, herunder forskerne Dr. Dongsoo Yang og Dr. Seon Young Park, og fremtrædende professor Sang Yup Lee fra Institut for Kemisk og Biomolekylær Teknik. Holdet rapporterede undersøgelsen med titlen "Produktion af regnbuefarvestoffer af metabolisk manipuleret Escherichia coli" i Avanceret videnskab online den 5. maj. Det blev udvalgt som journalforsiden af ​​7. juli-nummeret.

Denne forskning rapporterer for første gang produktionen af ​​regnbue -farvestoffer omfattende tre carotenoider og fire violaceinderivater fra glucose eller glycerol via systemmetabolisme og membranteknik. Forskergruppen fokuserede på produktion af hydrofobe naturlige farvestoffer, der er nyttige til lipofile fødevarer og farvning af beklædningsgenstande. Først, ved hjælp af systemmetabolisme, som er en integreret teknologi til at konstruere metabolismen af ​​en mikroorganisme, tre carotenoider bestående af astaxanthin (rød), -caroten (orange), og zeaxanthin (gul), og fire violaceinderivater omfattende proviolacein (grøn), prodeoxyviolacein (blå), violacein (navy), og deoxyviolacein (lilla) kunne produceres. Dermed, produktionen af ​​naturlige farvestoffer, der dækker hele regnbuespektret, blev opnået.

Når hydrofobe farvestoffer fremstilles fra mikroorganismer, farvestofferne ophobes inde i cellen. Da akkumuleringskapaciteten er begrænset, de hydrofobe farvestoffer kunne ikke fremstilles med koncentrationer højere end grænsen. I denne forbindelse forskerne konstruerede cellemorfologien og genererede indre membran-vesikler (sfæriske membranstrukturer) for at øge den intracellulære kapacitet til at akkumulere de naturlige farvestoffer. For yderligere at fremme produktionen, forskerne genererede ydre membranvesikler for at udskille de naturlige farvestoffer, dermed lykkes effektivt at producere alle syv regnbuefarvestoffer. Det var endnu mere imponerende, at produktionen af ​​naturlige grønne og marine farvestoffer blev opnået for første gang.

"Produktionen af ​​de syv naturlige regnbuefarver, der kan erstatte de nuværende oliebaserede syntetiske farvestoffer, blev opnået for første gang, " sagde Dr. Dongsoo Yang. Han forklarede, at et andet vigtigt punkt i forskningen er, at integrerede metaboliske ingeniørstrategier udviklet fra denne undersøgelse kan være generelt anvendelige til effektiv produktion af andre naturlige produkter, der er nyttige som lægemidler eller nutraceuticals. "Som opretholdelse af et godt helbred i et aldrende samfund bliver stadig vigtigere, vi forventer, at den teknologi og strategier, der er udviklet her, vil spille en afgørende rolle i fremstillingen af ​​andre værdifulde naturprodukter af medicinsk eller ernæringsmæssig betydning, " forklarede den fremtrædende professor Sang Yup Lee.