利用微生物生产天然色素

  色素涉及到人类生活的许多方面，包括食品、化妆品和纺织品。目前，色素市场主要由合成色素占据。然而，合成色素逐渐出现了安全和环境问题。因此，人类开始重视天然色素的使用。与从动植物中提取色素相比，微生物发酵生产天然色素不受季节和地区的影响。所以利用微生物生产天然色素越来越受到人们重视。

  色素为人类提供了丰富多彩的生活环境，几乎所有的人造产品都使用色素。其应用领域包括食品、医药、化妆品、纺织品等目前，合成色素在工业中占主导地位，因为它们便宜且稳定。然而，一些合成色素对人类是有毒和致癌的，而污染物的排放造成了生态问题。因为天然色素主要来源于植物、动物和微生物，所以它们对人类更安全，对健康有好处，包括抗癌、抗氧化、抗菌和抗病毒的特性。此外，天然色素是环保的，因为它们是可生物降解的。因此，天然色素受到高度重视。

  天然色素按其结构可分为黄酮类、类异戊二烯类、卟啉类、n -杂环类、聚酮类等。目前，许多天然色素的生产依赖于从植物中提取，这受到区域和季节的限制。作为一种替代方法，利用微生物生产天然色素不受上述原因的限制，而且易于规模化。微生物不仅可以合成各种微生物色素，而且还可以通过工程改造生产植物和动物色素。例如，大肠杆菌和酿酒酵母，由于其明确的遗传背景和成熟的遗传操作工具，已被开发用于生产各种色素。

  利用微生物生产色素比其他方法有优势。合成生物学使微生物天然色素合成途径的重构成为可能，包括内源途径的修饰和调控以及外源途径的构建和优化。例如，从土壤样品中分离得到的kathirae链霉菌SC1经过发酵优化后可产生13.7 g/L的黑色素，通过过表达一种内源性新型酪氨酸酶可将黑色素滴度提高到28.8 g/L。三孢子虫是典型的番茄红素天然来源，敲除内源番茄红素环化酶后，番茄红素产量从0.47 mg/g(干重)增加到1.40 mg/g。微生物中异源途径的重建极大地拓展了天然色素的获取途径。从藻类中提取藻蓝胆素需要复杂的步骤，藻蓝胆素在微生物中的生物合成受到了越来越多的关注。赵等人通过表达长热聚球菌的血红素加氧酶-1和聚胞菌的藻蓝胆素:铁氧还蛋白氧化还原酶，增加前体的供应，促进辅因子的循环，优化发酵工艺，获得了大肠杆菌中藻蓝胆素的最高滴度。同样，从昆虫中获取卡己酸需要一个昂贵的昆虫培养和纯化过程。Yang等人通过优化聚酮合成酶，识别和改进途径酶，使大肠杆菌从葡萄糖中完全生物合成卡己酸。由于植物生长周期长，占用土地多，从植物中提取花青素的价格昂贵。Xu等人通过引入花青素转运体并敲除鉴定出的花青素降解酶，构建出真核生物中花青素滴度最高的酿酒葡萄球菌。微生物途径的重建为克服从天然来源获取色素的高成本提供了可能。

  一些微生物天然色素已实现工业化生产，但许多微生物天然色素的商业化仍面临着收率低、成本高、实用性差等问题。为了提高微生物色素的产率，必须提高限速酶的转化效率。典型的策略是(i)通过组学分析和数据库搜索挖掘有效的酶和(ii)通过蛋白质工程增加关键酶或调节因子的活性。某些色素在高浓度时对微生物是有毒的;因此，通过代谢工程或适应性进化提高微生物耐受性可能会提高产量。

  总之，某些微生物，包括细菌、酵母、霉菌和微藻，具有产生色素的先天能力。值得注意的是，三孢子芽孢杆菌、胡萝卜素芽孢杆菌和紫红色芽孢杆菌在这方面已经显示出巨大的商业潜力。此外，模式生物，如大肠杆菌和酿酒酵母，在作为天然色素合成的基础细胞方面取得了显著进展。展望未来，通过合成生物学手段提高天然色素的效价，利用低成本底物降低合成成本，建立高效的纯化技术，开发提高天然色素稳定性和功能性的后修饰方法是值得研究的。

  DOI: 10.1021/acs.jafc.3c02222