合成生物学是未来！江苏科技大学首次实现蚕宝宝吐出玫瑰色丝

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遇见/摘要

2023年8月8日，PNAS在线发表了江苏科技大学生物技术学院/农业农村部蚕桑遗传改良重点实验室谭安江团队题为“Engineering a complex, multiple enzyme-mediated synthesis of natural plant pigments in the silkworm, Bombyx mori” 的研6论文，该研究首次报道了在昆虫（家蚕）中构建天然植物化合物的多基因生物合成途径，从而高效合成一种水溶性植物色素-甜菜红素。

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遇见/内容

丰富多彩的天然植物色素不仅为大千世界增添了靓丽的风景，同时也具有重要的经济和药用价值，其复杂的生物合成途径也一直是被关注的重要科学问题。甜菜红素是仅存在于石竹目植物中的一类水溶性天然植物色素，具有抗氧化、降血脂、抗炎症和抗糖尿病等多种作用，常被用作优质的食品添加剂。此外，由于甜菜红素具有肉眼可见的亮红色，也被作为一个优良的可视化分子标记。已有研究证明在微生物以及拟南芥等异源植物中可以实现甜菜红的多基因合成，而目前利用动物模型合成甜菜红素尚无报道。

甜菜红素以酪氨酸为底物，经过三个酶促反应和若干自发反应合成。甜菜红色素包括紫红色的甜菜红素（betacyanins）和黄色的甜菜黄素（betaxanthins）两类。甜菜红色素以酪氨酸为底物，通过三个酶促反应和若干个自发反应合成。首先，在细胞色素P450酶（CYP76AD1/5/6）的催化作用下，酪氨酸羟基化为L-3,4-二羟基苯丙氨酸（左旋多巴，L-DOPA）。随后，L-DOPA被CYP76AD1进一步氧化并环化为cyclo-DOPA。另外，L-DOPA也可以在DOPA 4,5-双加氧酶（DODA）的作用下转化为甜菜醛氨酸（betalamic acid）。随后cyclo-DOPA和甜菜醛氨酸经过自发反应生成甜菜苷配基（betanidin）。最后，甜菜苷配基在5-O-葡糖基转移酶（betanidin 5-O- glucosyltransferase）的作用下糖基化生成结构最简单的甜菜红素，甜菜苷（betanin）。此外，还有另外一条合成途径：cyclo-DOPA首先在5'O位置被5-O葡萄糖基转移酶(cDOPA5GT)糖基化形成cyclo-DOPA-5-O葡糖苷，其随后与甜菜醛氨酸经过自发反应生成甜菜苷。甜菜苷还可发生糖基化和乙酰化，形成更多种结构复杂的甜菜红素。此外，甜菜醛氨酸也可以与氨基酸和其他胺类物质发生自发反应生成甜菜黄素。

图1 甜菜红色素合成通路

本项研究通过遗传转化在家蚕中导入了甜菜红素合成通路的多个基因（CYP76AD1、DODA和Glucosyltransferase），成功实现了甜菜红素在蚕体内的高效合成。三个甜菜红素合成基因通过自剪切肽P2A的序列连接，从而使得三个基因可以在单个启动子的控制下表达。在利用广谱性启动子IE1调控基因表达的遗传转化家蚕中，甜菜红素主要在幼虫和蛹的体液中积累，其含量达到274μg/ml；在利用丝腺特异启动子FibH调控基因表达的遗传转化家蚕中，甜菜红素主要在幼虫丝腺中合成并积累，并随着吐丝过程分泌到蚕茧中。在茧层中的甜菜红素可在室温下用水溶出回收，其含量达到14.4μg/mg。甜菜红素的回收对蚕茧的丝质没有任何影响，这在未来的应用上可以大大提高养蚕业的经济效益。该研究不仅证实甜菜红素可作为昆虫遗传转化研究的可视化分子标记，也为今后利用家蚕生物反应器开展天然化合物的规模化制备开辟了新的途径。

图2 从蚕茧中回收甜菜红素

该论文的第一和通讯作者署名单位均为江苏科技大学，陈凯博士为第一作者，谭安江研究员为通讯作者，团队其他成员以及美国加州大学Irvine分校Anthony James教授参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金（31925007, 32102611）和江苏省自然科学基金（BK20210880）等项目的经费资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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