综述：微生物发酵生产紫色杆菌素的综合评述

这篇综述系统阐述了紫色杆菌素（violacein）的微生物发酵生产策略，聚焦代谢工程（如vioABCDE基因簇优化、L-色氨酸前体供应）与非代谢工程（如群体感应QS调控、外源添加剂）双轨策略，并探讨农业废弃物作为低成本底物的应用潜力，为这种兼具抗菌/抗癌/抗氧化活性的天然色素产业化提供理论支撑。

　　

紫色杆菌素的生物合成途径

紫色杆菌素是由L-色氨酸通过vioABCDE基因簇编码的五步酶促反应合成的吲哚衍生物。关键步骤包括：VioA催化L-色氨酸氧化为吲哚-3-丙酮酸(IPA)，VioB形成IPA亚胺二聚体，VioE生成原脱氧紫色杆菌酸(PDVA)。PDVA随后通过VioC/VioD的加氧反应分别生成脱氧紫色杆菌素和紫色杆菌素，理论转化率为0.84 g/g L-色氨酸。由于VioC的底物混杂性，实际产物常为紫色杆菌素与脱氧紫色杆菌素的混合物。

天然生产菌株的特性

Chromobacterium violaceum和Janthinobacteriumspp.是主要天然生产者。C. violaceum在30-35°C下最高产量达1.5 g/L，其合成受群体感应系统(CviI/R)调控，N-癸酰基高丝氨酸内酯(C10-HSL)作为自诱导剂激活vioABCDE表达。J. lividumXT1在20°C低温下产量可达3.5 g/L，但低温培养增加成本。

代谢工程改造策略

大肠杆菌平台：通过敲除竞争途径基因(trpR/tnaA/pheA)、强化色氨酸合成(trpE^fbr/trpD过表达)，并结合温度切换发酵(37°C→20°C)，产量提升至4.45 g/L。RBS工程优化vioE翻译效率使产量提高28%。

谷氨酸棒杆菌：利用强启动子替换原生vio启动子，结合两阶段温度控制(30°C→20°C)和玉米浆(CSL)补料，产量达5.4 g/L。

解脂耶氏酵母：通过Golden Gate组装技术构建多强度启动子库调控vioABCDE表达，使紫色杆菌素占比提升至86.7%。

发酵工艺优化

碳源选择：甘油因高还原度可提供NADPH，在严格控制溶氧下使C. freundii产量达4.13 g/L；农业废弃物如豆粕(1.5 g/L)和甘蔗渣(0.82 g/L)显著降低成本。

胁迫策略：添加亚抑制浓度抗生素(1/6 MIC卡那霉素)或H₂O₂(103 mg/L)通过激活应激反应使产量提升21倍。表面活性剂Tween 80通过增强膜通透性使胞外分泌量翻倍。

挑战与未来方向

当前瓶颈包括：色氨酸途径的反馈抑制、产物细胞毒性(抑制线粒体呼吸链)、代谢流失衡导致的中间体积累。前沿解决方案涉及：

1. 1.

   动态调控系统：基于TrpR/TetR的基因逆变器实现L-色氨酸感应自主调控

2. 2.

   无细胞系统：细菌微区室(BMC)封装vioE/vioC实现空间代谢分流

3. 3.

   人工菌群：大肠杆菌共培养体系通过代谢互作维持稳定生产(6 mg/g/h比生产率)

该领域将朝着低成本原料利用(如甲醇基质M. extorquens)、智能化动态调控和模块化菌群设计方向发展，推动这种多效生物活性分子的工业化应用。