黑色酵母Exophiala viscosa作为真菌黑色素生产底盘的全基因组表征与功能解析

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Genetic, structural, and functional characterization of allomelanin from black yeast Exophiala viscosa, a chassis for fungal melanin production

本研究针对真菌黑色素规模化生产瓶颈，以非致病性黑色酵母Exophiala viscosa为底盘，通过生物反应器培养实现8.6 g/L的DHN-黑色素（allomelanin）高产。结合基因编辑（Pks1/Arp2/Abr2敲除）与多谱学技术（FTIR/XPS/ssNMR/EPR），首次揭示黑色素与几丁质的结构关联及其增强UV/低温耐受性的分子机制，为辐射防护、环境修复等生物材料开发提供新范式。

　　

在极端环境中生存的黑色真菌一直吸引着科学家的目光，它们能合成一种神秘的物质——黑色素（melanin）。这种生物聚合物如同天然的“防护盾”，帮助真菌抵抗紫外线、电离辐射、极端温度等恶劣条件。然而，真菌黑色素的规模化生产却面临巨大挑战：传统生产菌株要么具有致病风险，要么产量低下，且黑色素的化学结构与其功能间的关联尚未明确。

发表于《Applied Microbiology and Biotechnology》的一项研究，以非致病性黑色酵母Exophiala viscosa为研究对象，系统解析了其产生的DHN-黑色素（allomelanin）的生物合成机制、结构特性及生物学功能。研究人员通过优化培养策略，在生物反应器中使黑色素产量达到8.6 g/L，并发现大部分黑色素以“黑色素幽灵”（melanin ghosts）形式紧密嵌合于细胞壁中。

为开展本研究，团队运用了生物反应器高密度培养、酸碱循环提取、扫描电子显微镜（SEM）、固态核磁共振（¹³C multi-CPMAS ssNMR）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、电子顺磁共振（EPR）等表征技术，以及基因敲除（Pks1、Arp2、Abr2）和电转转化等遗传操作手段，并结合紫外/γ辐射耐受性实验和低温生长表型分析。

提取Exophiala viscosa培养物中的黑色素

在酵母蛋白胨葡萄糖（YPD）培养基中培养7天后，从培养上清液和细胞沉淀中分别提取出黑色素颗粒和黑色素幽灵。生物反应器培养的总黑色素产量达8.62±0.54 g/L，其中黑色素幽灵占主要部分（6.8±0.3 g/L），说明黑色素主要与细胞壁结构紧密结合。

真菌黑色素的化学表征

通过¹³C多核磁共振谱显示，真菌黑色素颗粒中存在几丁质和脂肪族组分，其芳香区信号与1,8-DHN单体高度一致。FTIR和XPS分析进一步证实，经过二次提取后，黑色素中氮元素含量从3%降至2%，其谱图特征与合成的p-1,8-DHN高度相似，表明该色素为典型的DHN-黑色素。

EPR检测显示黑色素颗粒与幽灵均具有稳定的自由基信号（g=2.0035）。电化学分析表明，与细菌来源的真黑色素（eumelanin）相比，真菌黑色素氧化容量较低，可能与几丁质的存在有关。

DHN-黑色素生物合成途径的遗传验证

通过敲除Pks1、Arp2（scytalone dehydratase）和Abr2（laccase）基因，获得黑色素缺陷型突变体。EvPks1△突变体呈粉红色（类胡萝卜素积累），而EvArp2△和EvAbr2△突变体呈深棕色，表明中间产物发生自发氧化聚合。

黑色素对Exophiala viscosa应激抗性的影响

野生型菌株在UV-C辐射下存活率显著高于EvPks1△突变体。在γ辐射实验中，E. viscosa的D₁₀值约为1500 Gy，但黑色素缺失仅导致辐射抗性适度下降，提示类胡萝卜素等其他色素也可能参与保护。在4°C低温条件下，野生型生长优势明显，表明黑色素可能通过热捕获机制增强低温适应性。

该研究不仅证实E. viscosa是理想的黑色素生物制造底盘，还揭示了黑色素幽灵作为具有微观孔道结构的生物材料，在辐射屏蔽、环境修复及热调控领域的应用潜力。通过遗传操作与工艺优化，未来可实现黑色素产量与功能的精准调控，为高性能生物材料的开发提供可持续的解决方案。