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蠶桑科技丨蠶寶寶吐出玫瑰色蠶絲

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

作者：科技日?qǐng)?bào)

時(shí)間：2023-09-05 10:35:24

9月1日，記者從江蘇科技大學(xué)獲悉，該校生物技術(shù)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蠶桑遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室譚安江教授團(tuán)隊(duì)，首次實(shí)現(xiàn)了在家蠶體內(nèi)合成植物化合物甜菜紅素。該技術(shù)讓蠶寶寶能吐出玫瑰色的蠶絲，織出色彩艷麗的繭，把蠶繭用水泡一泡，就能得到甜菜紅素這種水溶性的植物色素。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）。

論文第一作者、江蘇科技大學(xué)陳凱博士告訴記者，該研究的意義在于首次把植物體內(nèi)的合成路徑搬到動(dòng)物體內(nèi)，在家蠶體內(nèi)構(gòu)建天然生物反應(yīng)器，開(kāi)展跨物種的天然化合物制備。

導(dǎo)入三種基因在家蠶體內(nèi)打造“超級(jí)工廠”

天然植物色素具有重要的經(jīng)濟(jì)和藥用價(jià)值，其復(fù)雜的生物合成途徑一直是廣受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。甜菜素因最早被發(fā)現(xiàn)于甜菜根中而得名，包括甜菜紅素和甜菜黃素兩種形式。甜菜紅素是優(yōu)質(zhì)健康的食品添加劑，可用于食品染色。除了食用功能，甜菜紅素還具有抗氧化、降血脂、抗炎癥和抗糖尿病等多種醫(yī)學(xué)和藥用價(jià)值。另外，由于甜菜紅素呈現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的亮紅色，因此可作為良好的遺傳分子標(biāo)記物，并已經(jīng)在擬南芥、煙草和水稻等模式植物中得到了應(yīng)用。

過(guò)去，甜菜紅素都是從植物中提取。陳凱告訴記者，在植物體內(nèi)，甜菜紅素以酪氨酸為底物，經(jīng)過(guò)三個(gè)酶促反應(yīng)和若干自發(fā)反應(yīng)合成，但此前利用動(dòng)物合成甜菜紅素尚無(wú)先例。而研究團(tuán)隊(duì)要做的就是把這種合成路徑搬到家蠶體內(nèi)。

研究人員通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化，向家蠶體內(nèi)導(dǎo)入植物體內(nèi)三個(gè)酶促反應(yīng)所需的三種基因。這樣家蠶就成為天然的生物反應(yīng)器，不需要外界干預(yù)就能在體內(nèi)自主合成甜菜紅素。此時(shí)蠶寶寶的體內(nèi)就像一個(gè)沒(méi)有工人的“超級(jí)工廠”，甜菜紅素主要在家蠶幼蟲的絲腺中合成和積累，并隨著吐絲過(guò)程分泌到蠶繭中。

“在我們的研究中，甜菜紅素的回收非常簡(jiǎn)單，只要將蠶繭在水里泡一下就可以了，而且對(duì)絲質(zhì)沒(méi)有任何影響?！?陳凱說(shuō)道。

利用家蠶合成甜菜紅素有商業(yè)化潛力

此前，天然蠶絲的顏色除了常見(jiàn)的白色之外，還有綠色、黃色、粉紅色等，但作用僅限于為絲綢增色。而這項(xiàng)研究為今后利用家蠶生物反應(yīng)器開(kāi)展天然化合物的規(guī)?；苽溟_(kāi)辟了新的途徑。

目前，甜菜紅素的工業(yè)生產(chǎn)主要以紅甜菜為原料進(jìn)行提取純化，但是傳統(tǒng)提取技術(shù)的提取率極不穩(wěn)定，且提取出來(lái)的色素純度低。為此，研究人員嘗試采用超聲波、微波等新型技術(shù)作為輔助技術(shù)，結(jié)合大孔樹(shù)脂吸附、膜分離等純化手段來(lái)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，但提取純化的過(guò)程仍然比較繁瑣。

“我們?cè)谛Q繭中回收的甜菜紅素，含量達(dá)到14.4微克/毫克?！标悇P表示，相比于從植物中提取甜菜紅素，利用家蠶合成甜菜紅素的優(yōu)勢(shì)非常明顯。一是提取率比較穩(wěn)定，大約為1.4%，有較好的商業(yè)化潛力；二是只需室溫水浸泡就能回收，步驟簡(jiǎn)單，且無(wú)雜質(zhì)殘留。

陳凱說(shuō)，這項(xiàng)研究不僅破解了甜菜紅素的提取難題，而且為蠶業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了更大的經(jīng)濟(jì)效益。甜菜紅素的回收不會(huì)影響蠶繭的絲質(zhì)，蠶農(nóng)除了蠶絲還能額外獲得甜菜紅素這種有價(jià)值的副產(chǎn)品。陳凱透露，團(tuán)隊(duì)目前還在進(jìn)行改良家蠶絲腺生物反應(yīng)器的其他嘗試，比如進(jìn)一步提高外源蛋白的產(chǎn)量，嘗試在家蠶體內(nèi)合成其他的天然產(chǎn)物等。

近年來(lái)，得益于技術(shù)突破和政策支持等，被譽(yù)為第三次生物技術(shù)革命的合成生物學(xué)取得突破性發(fā)展，相關(guān)技術(shù)廣泛運(yùn)用在醫(yī)療健康、綠色能源、日化美妝、生物基材料、食品消費(fèi)等領(lǐng)域。陳凱表示，本研究不僅實(shí)現(xiàn)了在動(dòng)物模型中高效合成植物來(lái)源的甜菜紅素，更重要的是驗(yàn)證了跨越動(dòng)物與植物之間的異源表達(dá)可以在昆蟲中成功實(shí)施，為天然化合物的異質(zhì)生物合成提供了一種方法。

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