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合成生物學(xué)前沿 | 創(chuàng)新一鍋法高選擇性生物合成Tyrian Purple
合成生物學(xué)是一門融合生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，其目標(biāo)在于重新設(shè)計、構(gòu)建和優(yōu)化生物系統(tǒng)，為生產(chǎn)和生活創(chuàng)造更多可能。在合成生物學(xué)中，對產(chǎn)物的定量分析至關(guān)重要。通過對產(chǎn)物的準(zhǔn)確定量不僅有助于更好地監(jiān)測產(chǎn)物的產(chǎn)率，還能為生產(chǎn)過程提供更為精準(zhǔn)的指導(dǎo)。通過合成生物學(xué)的手段，我們得以更好地理解和優(yōu)化生物系統(tǒng)，為產(chǎn)業(yè)提供更高效的生產(chǎn)解決方案。
本期分享一鍋法選擇性生物合成 Tyrian Purple 的研究，成果來自中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所的羅小舟課題組在 Metabolic Engineering 上發(fā)表的題為"One-pot selective biosynthesis of Tyrian purple in Escherichia coli"的研究論文 [1]，首次報道了一種簡單而高效的一鍋法，成功實現(xiàn)了 Tyrian Purple 的選擇性生物合成，為該染料的大規(guī)模生產(chǎn)奠定了重要基礎(chǔ)。
專家解讀核心信息
羅小舟
研究員
深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，合成生物化學(xué)研究中心執(zhí)行主任、PI，深圳市合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施副總工藝師，森瑞斯生物科技（深圳）有限公司創(chuàng)始人。于 2016 年獲得美國斯克里普斯研究所化學(xué)博士學(xué)位 (導(dǎo)師 Peter G. Schultz 院士)，隨后于加州大學(xué)伯克利分校完成博士后研究 (合作導(dǎo)師 Jay D. Keasling 院士)，并于 2019 年加入中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院。在 Nature、Nature Chemical Biology、Cell Chemical Biology、Nature Synthesis、PNAS 等知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文 30 余篇。課題組聚焦于合成生物學(xué)領(lǐng)域中生命體內(nèi)生物化學(xué)過程相關(guān)研究，主要結(jié)合遺傳密碼擴(kuò)充技術(shù)，酶的定向進(jìn)化，基因挖掘和代謝工程等多種化學(xué)生物學(xué)方法，基于大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)及高通量自動化，深入研究多種不同類別的天然產(chǎn)物及其衍生物的生物全合成的方法，并利用合成生物學(xué)方法，將研究成果轉(zhuǎn)化至制藥、個性化治療、新材料等領(lǐng)域。
這項研究針對 Tyrian purple 在生產(chǎn)上面臨化學(xué)合成毒性大、海螺提取得率低及生物合成選擇性低等問題，研究團(tuán)隊提出了一種簡單的一鍋法選擇性生物合成 Tyrian purple 的方法，為 Tyrian purple 在天然染料及生物相容性半導(dǎo)體行業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。
Tyrian Purple 的魅力及合成挑戰(zhàn)
Tyrian Purple 是一種源自海螺的古老而珍貴的染料，傳統(tǒng)制備工藝極為復(fù)雜。該染料在紡織品染色、陶器、建筑和壁畫等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用；此外，研究表明這種昂貴的燃料除了傳統(tǒng)用途之外還具有卓越的生物相容性半導(dǎo)體材料性能。然而，傳統(tǒng)制備工藝耗時且需要大量原料。與此同時，化學(xué)合成 Tyrian Purple 的規(guī)模也受到溴氣或氫溴酸溴化方法的限制，這些方法存在產(chǎn)率低、毒性大等問題，難以在工業(yè)上實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
Tyrian purple 生物合成一鍋法
高效、高產(chǎn)新策略
為了克服這些問題，研究團(tuán)隊采用了合成生物學(xué)的方法，利用微生物（如大腸桿菌）細(xì)胞工廠進(jìn)行生物合成。在這項研究中，研究人員利用來自 Streptomyces toxytricini 的色氨酸 6- 鹵化酶 SttH、來自 E. coli 的色氨酸酶 TnaA 和來自 Providencia Rettgeri GS-2 菌中的雙組分吲哚氧化酶 GS-CD 等酶，成功實現(xiàn)了 Tyrian purple 的選擇性生物合成。
圖 1. 在大腸桿菌體內(nèi)通過一鍋法生物合成 Tyrian Purple
為了提高酶的催化效率，研究團(tuán)隊進(jìn)行了多方面的優(yōu)化工作，包括優(yōu)化色氨酸 6- 鹵化酶的可溶性表達(dá)、培養(yǎng)基成分和濃度的優(yōu)化，以及利用生物傳感器延遲 TnaA-L3-GS-CD 的表達(dá)等策略。最終，研究人員通過熱調(diào)控體系，實現(xiàn)了對 TnaA-L3-GS-CD 的精確調(diào)控，從而在大腸桿菌體內(nèi)實現(xiàn)了從色氨酸選擇性生產(chǎn) Tyrian purple 的目標(biāo)。
圖 2. 利用熱調(diào)控體系選擇性地生物合成 Tyrian purple
LC-MSMS 技術(shù)助力產(chǎn)物監(jiān)測與雜質(zhì)分析
在優(yōu)化過程中，對 Tyrian purple 及其過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)，尤其是靛藍(lán)副產(chǎn)物的定量監(jiān)測顯得尤為關(guān)鍵。本研究使用了安捷倫 1290 UHPLC 及 6470 QQQ 系統(tǒng)對目標(biāo)染料及其他染料副產(chǎn)物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并采用 OpenLab、MassHunter 等數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的定量分析，不僅為有研究提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，也為后續(xù)的過程改造提供了有力的依據(jù)。
圖 3. 基于液相串聯(lián)質(zhì)譜的產(chǎn)物及其雜質(zhì)的定量分析
結(jié)語：
合成生物學(xué)引領(lǐng)新時代
參考文獻(xiàn)：
1. F. Li et al. One-pot selective biosynthesis of Tyrian purple in Escherichia coli. Metabolic Engineering 81 (2024) 100-109.