蠶寶寶吐出玫瑰色蠶絲

  9月1日，記者從江蘇科技大學獲悉，該校生物技術學院/農業農村部蠶桑遺傳改良重點實驗室譚安江教授團隊，首次實現了在家蠶體內合成植物化合物甜菜紅素。該技術讓蠶寶寶能吐出玫瑰色的蠶絲，織出色彩豔麗的繭，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。相關研究成果日前線上發表于《美國國家科學院院刊》（PNAS）。
  論文第一作者、江蘇科技大學陳凱博士告訴記者，該研究的意義在於首次把植物體內的合成路徑搬到動物體內，在家蠶體內構建天然生物反應器，開展跨物種的天然化合物製備。
導入三種基因在家蠶體內打造「超級工廠」
  天然植物色素具有重要的經濟和藥用價值，其複雜的生物合成途徑一直是廣受關注的科學問題。甜菜素因最早被發現于甜菜根中而得名，包括甜菜紅素和甜菜黃素兩種形式。甜菜紅素是優質健康的食品添加劑，可用於食品染色。除了食用功能，甜菜紅素還具有抗氧化、降血脂、抗炎症和抗糖尿病等多種醫學和藥用價值。另外，由於甜菜紅素呈現肉眼可見的亮紅色，因此可作為良好的遺傳分子標記物，並已經在擬南芥、菸草和水稻等模式植物中得到了應用。
  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，甜菜紅素以酪氨酸為底物，經過三個酶促反應和若干自發反應合成，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。
  研究人員通過遺傳轉化，向家蠶體內導入植物體內三個酶促反應所需的三種基因。這樣家蠶就成為天然的生物反應器，不需要外界干預就能在體內自主合成甜菜紅素。此時蠶寶寶的體內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，並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，只要將蠶繭在水裡泡一下就可以了，而且對絲質沒有任何影響。」 陳凱說道。
利用家蠶合成甜菜紅素有商業化潛力
  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，但作用僅限於為絲綢增色。而這項研究為今後利用家蠶生物反應器開展天然化合物的規模化製備開闢了新的途徑。
  目前，甜菜紅素的工業生產主要以紅甜菜為原料進行提取純化，但是傳統提取技術的提取率極不穩定，且提取出來的色素純度低。為此，研究人員嘗試採用超音波、微波等新型技術作為輔助技術，結合大孔樹脂吸附、膜分離等純化手段來進行技術升級，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勢非常明顯。一是提取率比較穩定，大約為1.4%，有較好的商業化潛力；二是只需室溫水浸泡就能回收，步驟簡單，且無雜質殘留。
  陳凱說，這項研究不僅破解了甜菜紅素的提取難題，而且為蠶業生產帶來了更大的經濟效益。甜菜紅素的回收不會影響蠶繭的絲質，蠶農除了蠶絲還能額外獲得甜菜紅素這種有價值的副產品。陳凱透露，團隊目前還在進行改良家蠶絲腺生物反應器的其他嘗試，比如進一步提高外源蛋白的產量，嘗試在家蠶體內合成其他的天然產物等。
  近年來，得益於技術突破和政策支持等，被譽為第三次生物技術革命的合成生物學取得突破性發展，相關技術廣泛運用在醫療健康、綠色能源、日化美妝、生物基材料、食品消費等領域。陳凱表示，本研究不僅實現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生物合成提供了一種方法。（記者 張曄）