蠶?？萍钾Q寶寶吐出玫瑰色蠶絲
來源：科技日報
作者：科技日報
時間：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實驗室譚安江教授團隊，首次實現(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《美國國家科學(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)的合成路徑搬到動物體內(nèi)，在家蠶體內(nèi)構(gòu)建天然生物反應(yīng)器，開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“超級工廠”
天然植物色素具有重要的經(jīng)濟和藥用價值，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)和藥用價值。另外，由于甜菜紅素呈現(xiàn)肉眼可見的亮紅色，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)過三個酶促反應(yīng)和若干自發(fā)反應(yīng)合成，但此前利用動物合成甜菜紅素尚無先例。而研究團隊要做的就是把這種合成路徑搬到家蠶體內(nèi)。
研究人員通過遺傳轉(zhuǎn)化，向家蠶體內(nèi)導(dǎo)入植物體內(nèi)三個酶促反應(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。此時蠶寶寶的體內(nèi)就像一個沒有工人的“超級工廠”，甜菜紅素主要在家蠶幼蟲的絲腺中合成和積累，并隨著吐絲過程分泌到蠶繭中。
“在我們的研究中，甜菜紅素的回收非常簡單，只要將蠶繭在水里泡一下就可以了，而且對絲質(zhì)沒有任何影響?！?陳凱說道。
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。而這項研究為今后利用家蠶生物反應(yīng)器開展天然化合物的規(guī)模化制備開辟了新的途徑。
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)合大孔樹脂吸附、膜分離等純化手段來進行技術(shù)升級，但提取純化的過程仍然比較繁瑣。
“我們在蠶繭中回收的甜菜紅素，含量達到14.4微克/毫克。”陳凱表示，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，步驟簡單，且無雜質(zhì)殘留。
陳凱說，這項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)帶來了更大的經(jīng)濟效益。甜菜紅素的回收不會影響蠶繭的絲質(zhì)，蠶農(nóng)除了蠶絲還能額外獲得甜菜紅素這種有價值的副產(chǎn)品。陳凱透露，團隊目前還在進行改良家蠶絲腺生物反應(yīng)器的其他嘗試，比如進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，得益于技術(shù)突破和政策支持等，被譽為第三次生物技術(shù)革命的合成生物學(xué)取得突破性發(fā)展，相關(guān)技術(shù)廣泛運用在醫(yī)療健康、綠色能源、日化美妝、生物基材料、食品消費等領(lǐng)域。陳凱表示，本研究不僅實現(xiàn)了在動物模型中高效合成植物來源的甜菜紅素，更重要的是驗證了跨越動物與植物之間的異源表達可以在昆蟲中成功實施，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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