Природа заставляет производителей ярких пигментов хотеть использовать их в продуктах питания и косметике, но получить их из растений в продукты, которые мы покупаем, настолько сложно, что многие производители полагаются на искусственные красители. Теперь исследователи из Политехнического института Ренсселера показали, что четыре штамма бактерий кишечной палочки, работая вместе, могут превращать сахар в натуральный красный антоциановый пигмент, содержащийся в клубнике, открывая дверь для экономичных натуральных красителей для промышленного применения.
Исследование знаменует собой первый метод биосинтеза с использованием четырех штаммов бактерий для производства соединения за одну стадию, сказал Маттеос Коффас, профессор химической и биологической инженерии в Rensselaer и член Центра биотехнологии и междисциплинарных исследований.. Результаты опубликованы в mBio, публикации Американского общества микробиологии.
«Впервые мы можем полностью синтезировать антоцианы в биологической системе», - сказал Коффас. «Мы кормим бактерии глюкозой, а они делают все остальное. Это демонстрирует, что недорогая технология может производить эти ценные соединения».
Производители все больше интересуются натуральными красителями, и этот сдвиг основан на исследованиях, подтверждающих опасность для здоровья искусственных красителей для пищевых продуктов и косметики. Природные пигменты, содержащиеся в растениях, такие как антоцианы, каротиноиды или ликопин, дают бесспорно безопасные цвета. Антоцианы существуют в гораздо более широком спектре, чем другие классы пигментов, они дают все цвета, кроме зеленого, и отвечают за естественный цвет таких продуктов, как черника, малина, черный рис и оттенки осенних листьев.
Но производство антоцианов для промышленного использования является сложной задачей: пигменты растительного происхождения требуют дорогостоящей обработки и дают противоречивые результаты; а поскольку молекулы антоцианов сложны, химики не смогли их синтезировать.
Лаборатория Коффаса исследует метод производства антоцианов с использованием генной инженерии с 2005 года. Шестнадцать генов регулируют производство антоцианов в растениях. Но перенос этих генов и молекулярного пути, который они запускают, от растения к бактериям - не простой процесс, сказал Дж. Эндрю Джонс, первый автор статьи и докторант в то время, когда проводилось исследование. Чтобы адаптировать молекулярный путь от растения к бактериям, лаборатория Коффаса объединила гены бактерий, дрожжей и шести различных видов растений.
В ходе ранних исследований лаборатория Коффаса представила весь молекулярный путь, собранный в одном штамме бактерий E.coli. Но этот путь оказался слишком длинным для клетки, которая, как правило, использовала дополнительные гены для производства собственных метаболитов вместо антоцианов, сказал Джонс, в настоящее время являющийся преподавателем Университета Майами в Огайо.
Настоящее исследование разделяет весь путь между четырьмя различными штаммами бактерий, модифицированными для поэтапной сборки антоцианина. Исследователи разделили путь на «модули», производящие промежуточные продукты, которые легко диффундируют из бактериальной клетки. При объединении в одной колбе первые бактерии поглощают сахар и производят «промежуточные» соединения, фенилпропановые кислоты, которые поглощаются вторыми бактериями, производящими второе промежуточное соединение, и так далее, пока четвертый штамм не вырабатывает антоцианин.
На следующем этапе работы исследователи будут оптимизировать каждый этап процесса. Каждый из четырех штаммов был выбран на основе его способности продуцировать назначенный ему промежуточный продукт; тем не менее, некоторые сегменты производят больше, чем другие, и конечный результат скромен, производя миллиграммы антоцианов на литр. Производство должно приблизиться к сотням миллиграммов на литр, чтобы быть коммерчески жизнеспособным подходом.
«Я не сомневаюсь, что производство антоцианов из рекомбинантного микробного хозяина является единственным жизнеспособным методом получения этих соединений экономически устойчивым образом», - сказал Коффас..