《Nature Communications》：Engineering artificial biosynthetic pathway enables simultaneous production and in-situ bio-dyeing of indigoids for textiles
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本文针对传统靛蓝染料化学合成污染重、染色过程耗水量大等瓶颈问题，研究团队开发了基于醇脱氢酶（ADH）和黄素单加氧酶（FMO）级联催化的一锅一步法新策略。该研究构建了原子经济性高、辅因子自循环的人工生物合成途径，成功在大肠杆菌内实现6,6'-二溴靛蓝（6,6'-DBI）等靛蓝类色素的同步生物合成与原位染色，特别在尼龙纤维上重现了泰尔紫的经典色调。这项工作为纺织品可持续染色提供了创新解决方案。
从古埃及法老的蓝色裹尸布到罗马帝国的皇家紫袍，靛蓝类染料作为人类最早使用的天然色素之一，见证了数千年纺织文明的演进。然而19世纪后期BASF实现靛蓝的化学合成后，这种曾象征尊贵的色彩却逐渐成为环境负担——每合成1公斤靛蓝需消耗100公斤化学试剂，传统染色工艺更是每天产生数千吨含硫废水。如何在延续色彩传奇的同时破解可持续发展难题，成为横亘在科技与艺术之间的巨大挑战。
近日发表于《Nature Communications》的研究中，南京工业大学团队另辟蹊径，通过精巧的合成生物学设计，将靛蓝生物合成与纺织品染色两个独立工序融合为单个发酵罐内完成的同步过程。这种"一锅一步法"不仅使染色过程耗水量趋近于零，更在合成尼龙纤维上精准复现了失传已久的泰尔紫色调，为传统纺织业绿色转型提供了全新范式。
关键技术方法主要包括：通过系统筛选获得高活性马肝醇脱氢酶（HLADH）和甲基营养菌黄素单加氧酶（mFMO）；构建12种质粒组合优化大肠杆菌共表达系统；结合DFT计算阐明反应机制；利用SEM分析染料颗粒形态与颜色关联性。
设计人工生物合成路径制备6-溴吲哚
研究团队以高附加值的泰尔紫（主要成分6,6'-二溴靛蓝）为模型产物，通过逆合成分析提出两条可能的生物合成路线。实验发现基于2-氨基-4-溴苯乙醇的分子内氧化缩合路线（路线2）更具可行性。从12种醇脱氢酶中筛选出马肝来源HLADH作为关键催化剂，其以NAD+为辅因子时对底物的比活性达10.5 U mg-1。通过量子力学/分子力学（QM/MM）计算证实，反应限速步骤为HLADH催化的氨基醇氧化过程，后续缩合脱水能垒较低（16.5 kcal mol-1）。引入NADH氧化酶（NOX）辅因子再生系统后，6-溴吲哚产率提升至96%，拓展底物范围涵盖19种取代氨基乙醇，产率最高达99%。
构建优化HLADH-mFMO级联系统
针对黄素单加氧酶（FMO）的筛选发现，甲基营养菌来源mFMO在NADPH存在时对6-溴吲哚催化效率最高。创新性地采用"借氢"机制构建HLADH-mFMO级联系统，通过动力学分析揭示mFMO对NADH/NADPH具有双辅因子适应性（kcat/KM分别为3.4和9.2 mM-1s-1），突破了过去认为细菌源FMO严格依赖NADPH的认知。优化酶比例（HLADH:mFMO=1:2）和反应条件（pH 8.0, 30°C）后，6,6'-二溴靛蓝产率提升至60.1%。
拓展底物适用范围
级联系统对含吸电子基（-F, -Cl, -Br）和供电子基（-Me, -OMe）的取代氨基乙醇均展现良好兼容性，成功合成20种靛蓝衍生物。值得注意的是，C5/C6/C7位取代底物产率（35-83%）显著高于C4位取代类似物（<30%）。通过RGB色彩模型定量分析发现，取代基类型与位置共同调控染料色相，其中6,6'-二甲基靛蓝呈现独特蓝绿色调（RGB: 93,164,167）。
大肠杆菌中6,6'-二溴靛蓝的生产
构建12种重组大肠杆菌工程菌（M1-M12），其中M1菌株在敲除tnaA基因背景下实现HLADH与mFMO的高效共表达。优化发酵条件（18°C诱导，pH 8.0）后，6,6'-二溴靛蓝产率达72.1%，时空产率15.31 mg L-1h-1。200毫升规模发酵获得367.5 mg L-1的色素产量，原子经济性提升至82.5%，同时E因子（环境因子）降至1.21，显著优于传统工艺。
6,6'-二溴靛蓝原位生物染色策略
创新性提出"生物原位染色"策略，将纺织面料直接置于生物合成体系。扫描电镜（SEM）分析显示，原位染色形成的色素颗粒尺寸（0.2-0.5μm）显著小于化学染色样品（1-2μm），这种微观结构差异直接导致尼龙纤维呈现特征性紫红色调（色差值ΔE*ab>15）。与传统化学染色相比，该策略节水率超95%，且避免使用连二亚硫酸钠等危险试剂。
这项研究通过人工设计氧化还原中性生物合成途径，实现了靛蓝类染料"合成-染色"一体化技术突破。其创新价值主要体现在三个方面：首次发现细菌源FMO酶的双辅因子适应性特性，拓展了酶催化理论认知；建立的"借氢"级联系统无需外源辅因子再生，大幅简化工艺流程；特别是成功在合成纤维上重现泰尔紫这一历史经典色彩，为生物制造与文化遗产保护跨界融合提供范例。尽管目前体系仍面临氧胁迫控制、葡萄糖底物发酵等挑战，但这项研究无疑为纺织业"碳中和"目标提供了关键技术支撑，预示着生物技术引领的绿色制造革命正悄然改变延续百年的工业生产模式。
