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合成生物學前沿 | 創新一鍋法高選擇性生物合成Tyrian Purple
合成生物學是一門融合生物學、化學、工程學等多學科的交叉領域，其目標在于重新設計、構建和優化生物系統，為生產和生活創造更多可能。在合成生物學中，對產物的定量分析至關重要。通過對產物的準確定量不僅有助于更好地監測產物的產率，還能為生產過程提供更為精準的指導。通過合成生物學的手段，我們得以更好地理解和優化生物系統，為產業提供更高效的生產解決方案。
本期分享一鍋法選擇性生物合成 Tyrian Purple 的研究，成果來自中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所的羅小舟課題組在 Metabolic Engineering 上發表的題為"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，成功實現了 Tyrian Purple 的選擇性生物合成，為該染料的大規模生產奠定了重要基礎。
專家解讀核心信息
羅小舟
研究員
深圳先進院合成生物學研究所研究員，博士生導師，合成生物化學研究中心執行主任、PI，深圳市合成生物研究重大科技基礎設施副總工藝師，森瑞斯生物科技（深圳）有限公司創始人。于 2016 年獲得美國斯克里普斯研究所化學博士學位 (導師 Peter G. Schultz 院士)，隨后于加州大學伯克利分校完成博士后研究 (合作導師 Jay D. Keasling 院士)，并于 2019 年加入中國科學院深圳先進技術研究院。在 Nature、Nature Chemical Biology、Cell Chemical Biology、Nature Synthesis、PNAS 等知名學術期刊上發表論文 30 余篇。課題組聚焦于合成生物學領域中生命體內生物化學過程相關研究，主要結合遺傳密碼擴充技術，酶的定向進化，基因挖掘和代謝工程等多種化學生物學方法，基于大數據機器學習及高通量自動化，深入研究多種不同類別的天然產物及其衍生物的生物全合成的方法，并利用合成生物學方法，將研究成果轉化至制藥、個性化治療、新材料等領域。
這項研究針對 Tyrian purple 在生產上面臨化學合成毒性大、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體行業的規模化應用打下堅實的基礎。
Tyrian Purple 的魅力及合成挑戰
Tyrian Purple 是一種源自海螺的古老而珍貴的染料，傳統制備工藝極為復雜。該染料在紡織品染色、陶器、建筑和壁畫等領域有著廣泛應用；此外，研究表明這種昂貴的燃料除了傳統用途之外還具有卓越的生物相容性半導體材料性能。然而，傳統制備工藝耗時且需要大量原料。與此同時，化學合成 Tyrian Purple 的規模也受到溴氣或氫溴酸溴化方法的限制，這些方法存在產率低、毒性大等問題，難以在工業上實現大規模生產。
Tyrian purple 生物合成一鍋法
高效、高產新策略
為了克服這些問題，研究團隊采用了合成生物學的方法，利用微生物（如大腸桿菌）細胞工廠進行生物合成。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，成功實現了 Tyrian purple 的選擇性生物合成。
圖 1. 在大腸桿菌體內通過一鍋法生物合成 Tyrian Purple
為了提高酶的催化效率，研究團隊進行了多方面的優化工作，包括優化色氨酸 6- 鹵化酶的可溶性表達、培養基成分和濃度的優化，以及利用生物傳感器延遲 TnaA-L3-GS-CD 的表達等策略。最終，研究人員通過熱調控體系，實現了對 TnaA-L3-GS-CD 的精確調控，從而在大腸桿菌體內實現了從色氨酸選擇性生產 Tyrian purple 的目標。
圖 2. 利用熱調控體系選擇性地生物合成 Tyrian purple
LC-MSMS 技術助力產物監測與雜質分析
在優化過程中，對 Tyrian purple 及其過程中產生的雜質，尤其是靛藍副產物的定量監測顯得尤為關鍵。本研究使用了安捷倫 1290 UHPLC 及 6470 QQQ 系統對目標染料及其他染料副產物進行數據采集，并采用 OpenLab、MassHunter 等數據處理軟件對數據進行深入的定量分析，不僅為有研究提供了可靠的數據支持，也為后續的過程改造提供了有力的依據。
圖 3. 基于液相串聯質譜的產物及其雜質的定量分析
結語：
合成生物學引領新時代
參考文獻：
1. F. Li et al. One-pot selective biosynthesis of Tyrian purple in Escherichia coli. Metabolic Engineering 81 (2024) 100-109.