酵母细胞工厂重组生产苋菜红素及其他甜菜红素变体的创新研究

为解决天然色素甜菜红素(betalain)变体生产受限问题，研究人员通过筛选苋菜(Amaranthus)、藜麦(Chenopodium quinoa)和鸡冠花(Celosia argentea)来源的葡萄糖醛酸转移酶(GlcAT)，在产甜菜苷(betanin)的酿酒酵母(S. cerevisiae)和解脂耶氏酵母(Y. lipolytica)中实现苋菜红素(amaranthin)的高效合成，发酵产量达2.97 g/L，并首次在微生物中成功合成6′-O-丙二酰苋菜红素(celoscristatin)，为拓展天然食品色素库提供新策略。

　　

在食品工业对天然色素需求激增的背景下，甜菜红素作为源自植物的水溶性色素，因其丰富的色彩谱系和潜在健康效益备受关注。然而传统提取方法面临诸多挑战：甜菜根中甜菜苷含量不足0.5%，80多种结构变体在自然界分布分散且含量极低，季节性限制和异味物质等问题制约产业发展。更关键的是，目前市场上几乎只有甜菜苷单一品种，而许多变体如苋菜红素(amaranthin)具有更优的稳定性和生物活性，却因植物来源限制难以商业化。这促使科学家探索微生物合成作为可持续替代方案。

丹麦技术大学的研究团队在《Synthetic and Systems Biotechnology》发表的研究中，系统评估了三种植物来源的葡萄糖醛酸转移酶(glucuronosyltransferase, GlcAT)在两种酵母中的表达效果。通过转录组组装和注释筛选出鸡冠花CcAmaSy1基因，与已知的AhAmaSy1和CqAmaSy1共同测试。研究发现酿酒酵母缺乏UDP-葡萄糖醛酸(UDP-glucuronic acid)合成能力，通过引入拟南芥UDP-葡萄糖脱氢酶(AtUGD1)成功实现苋菜红素合成。在解脂耶氏酵母中，CcAmaSy1表现出最佳催化效率，在补料分批发酵中产量创纪录。研究还创新性地将GlcAT与来自火龙果的BAHD酰基转移酶(HpBAHD3)共表达，首次在微生物中合成6′-O-丙二酰苋菜红素(celoscristatin)。

关键技术包括：基于Illumina HiSeq的鸡冠花转录组de novo组装和注释；使用Trinity软件进行序列分析；酵母EasyClone MarkerFree工具包进行基因编辑；250 mL AMBR生物反应器进行补料分批发酵；HPLC和LC-MS/MS进行代谢物定性与定量分析；半制备HPLC纯化标准品。植物样本来自公开数据库的鸡冠花转录组数据(SRR9095475)及市售植物材料。

3.1节显示，在酿酒酵母中表达AhAmaSy1和CcAmaSy1意外导致甜菜苷(betanin)转化为bougainvillein-r I(甜菜苷元-5-O-β-槐糖苷)，而非预期的苋菜红素。LC-MS分析确认产物m/z为713.2039，与宝巾花(Bougainvillea glabra)提取物特征匹配。这一发现揭示了这些酶对UDP-葡萄糖的底物混杂性。

3.2节突破性发现酿酒酵母缺乏UDP-葡萄糖醛酸合成途径。引入AtUGD1后，UDP-葡萄糖醛酸浓度升至34 μM，使所有测试GlcAT都能高效催化苋菜红素合成，其中CqAmaSy1产量达10.2 mg/L。有趣的是，CcAmaSy1在UDP-葡萄糖存在时产生bougainvillein-r I，而在UDP-葡萄糖醛酸存在时专一性合成苋菜红素，展现出底物依赖性催化特性。

3.3节在解脂耶氏酵母中获得更优表现。工程菌株ST14102（含CcAmaSy1）在摇瓶培养中产量达715 mg/L，是亲本菌株甜菜苷产量的3.9倍。代谢分析显示酵母内源性UDP-葡萄糖醛酸合成能力是关键，但7 μM的浓度仍成为限制因素。

3.4节的补料分批发酵数据尤为突出。在pH 6、μ=0.1 h^-1条件下，ST14102在66小时培养中达到2.97 g/L苋菜红素，产量显著高于对照组的0.9 g/L甜菜苷。技术经济分析表明，这一产量水平使生产成本降低34.5%，具备工业化潜力。

3.5节开辟了新方向。将HpBAHD3与GlcAT共表达，在两种酵母中均检测到m/z 813.1832的celoscristatin。值得注意的是，在解脂耶氏酵母中85%的产物滞留细胞内，提示存在新的转运限制。研究还意外发现Y. lipolytica内源性糖基转移酶能合成bougainvillein-r I及其丙二酰化产物mammillarinin。

这项研究具有多重意义：首次实现微生物高效合成苋菜红素，产量达克级；阐明GlcAT底物选择性机制；发现酵母内源性修饰酶活性；建立组合生物合成新策略。特别是2.97 g/L的产量已超越传统植物提取的经济阈值，为天然色素市场提供新选择。研究还揭示了苋菜红素生物合成途径的关键细节，如CcAmaSy1的双重催化特性，为后续工程改造奠定基础。局限性在于celoscristatin的分泌效率低，且对UDP-糖核苷酸代谢网络的调控仍需深入。未来工作可聚焦于：优化UDP-葡萄糖醛酸供应；开发高效转运系统；评估各变体的工业性能参数。这些发现不仅拓展了合成生物学在食品添加剂领域的应用，也为研究植物特殊代谢物的异源合成提供了范例。