合成生物学前沿 | 创新一锅法高选择性生物合成Tyrian Purple
合成生物学是一门融合生物学、化学、工程学等多学科的交叉领域，其目标在于重新设计、构建和优化生物系统，为生产和生活创造更多可能。在合成生物学中，对产物的定量分析至关重要。通过对产物的准确定量不仅有助于更好地监测产物的产率，还能为生产过程提供更为精准的指导。通过合成生物学的手段，我们得以更好地理解和优化生物系统，为产业提供更高效的生产解决方案。
本期分享一锅法选择性生物合成 tyrian purple 的研究，成果来自中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所的罗小舟课题组在metabolic engineering上发表的题为one-pot selective biosynthesis of tyrian purple inescherichia coli的研究论文[1]，首次报道了一种简单而高效的一锅法，成功实现了 tyrian purple 的选择性生物合成，为该染料的大规模生产奠定了重要基础。
专家解读核心信息
罗小舟
研究员
深圳先进院合成生物学研究所研究员，博士生导师，合成生物化学研究中心执行主任、pi，深圳市合成生物研究重大科技基础设施副总工艺师，森瑞斯生物科技（深圳）有限公司创始人。于 2016 年获得美国斯克里普斯研究所化学博士学位 (导师 peter g. schultz 院士)，随后于加州大学伯克利分校完成博士后研究 (合作导师 jay d. keasling 院士)，并于 2019 年加入中国科学院深圳先进技术研究院。在 nature、nature chemical biology、cell chemical biology、nature synthesis、pnas 等知名学术期刊上发表论文 30 余篇。课题组聚焦于合成生物学领域中生命体内生物化学过程相关研究，主要结合遗传密码扩充技术，酶的定向进化，基因挖掘和代谢工程等多种化学生物学方法，基于大数据机器学习及高通量自动化，深入研究多种不同类别的天然产物及其衍生物的生物全合成的方法，并利用合成生物学方法，将研究成果转化至制药、个性化治疗、新材料等领域。
这项研究针对 tyrian purple 在生产上面临化学合成毒性大、海螺提取得率低及生物合成选择性低等问题，研究团队提出了一种简单的一锅法选择性生物合成 tyrian purple 的方法，为 tyrian purple 在天然染料及生物相容性半导体行业的规模化应用打下坚实的基础。
tyrian purple 的魅力及合成挑战
tyrian purple 是一种源自海螺的古老而珍贵的染料，传统制备工艺极为复杂。该染料在纺织品染色、陶器、建筑和壁画等领域有着广泛应用；此外，研究表明这种昂贵的燃料除了传统用途之外还具有卓越的生物相容性半导体材料性能。然而，传统制备工艺耗时且需要大量原料。与此同时，化学合成 tyrian purple 的规模也受到溴气或氢溴酸溴化方法的限制，这些方法存在产率低、毒性大等问题，难以在工业上实现大规模生产。
tyrian purple 生物合成一锅法
高效、高产新策略
为了克服这些问题，研究团队采用了合成生物学的方法，利用微生物（如大肠杆菌）细胞工厂进行生物合成。在这项研究中，研究人员利用来自 streptomyces toxytricini 的色氨酸 6- 卤化酶 stth、来自 e. coli 的色氨酸酶 tnaa 和来自 providencia rettgeri gs-2 菌中的双组分吲哚氧化酶 gs-cd 等酶，成功实现了 tyrian purple 的选择性生物合成。
图 1. 在大肠杆菌体内通过一锅法生物合成 tyrian purple
为了提高酶的催化效率，研究团队进行了多方面的优化工作，包括优化色氨酸 6- 卤化酶的可溶性表达、培养基成分和浓度的优化，以及利用生物传感器延迟 tnaa-l3-gs-cd 的表达等策略。最终，研究人员通过热调控体系，实现了对 tnaa-l3-gs-cd 的精确调控，从而在大肠杆菌体内实现了从色氨酸选择性生产 tyrian purple 的目标。
图 2. 利用热调控体系选择性地生物合成 tyrian purple
lc-msms 技术助力产物监测与杂质分析
在优化过程中，对 tyrian purple 及其过程中产生的杂质，尤其是靛蓝副产物的定量监测显得尤为关键。本研究使用了安捷伦 1290 uhplc 及 6470 qqq 系统对目标染料及其他染料副产物进行数据采集，并采用 openlab、masshunter 等数据处理软件对数据进行深入的定量分析，不仅为有研究提供了可靠的数据支持，也为后续的过程改造提供了有力的依据。
图 3. 基于液相串联质谱的产物及其杂质的定量分析
结语：
合成生物学引领新时代
这一研究为 tyrian purple 的大规模生产提供了新的思路和方法，降低了生物合成的成本，为该染料在天然染料和生物相容性半导体等领域的广泛应用奠定了基础。这种选择性一锅法生物合成 tyrian purple 的方法还为其他卤代靛蓝染料的生物合成提供了有益的参考。值得强调的是，该研究采用 lc-msms 等技术手段对合成产物进行了深入的分析，为研究提供了可靠的数据支持。科技创新与合成生物学的结合，为产业带来新的活力，为社会发展开创更美好的未来。
参考文献：
1. f. li et al. one-pot selective biosynthesis of tyrian purple in escherichia coli. metabolic engineering 81 (2024) 100-109.
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专家解读核心信息
罗小舟
研究员
深圳先进院合成生物学研究所研究员，博士生导师，合成生物化学研究中心执行主任、pi，深圳市合成生物研究重大科技基础设施副总工艺师，森瑞斯生物科技（深圳）有限公司创始人。于 2016 年获得美国斯克里普斯研究所化学博士学位 (导师 peter g. schultz 院士)，随后于加州大学伯克利分校完成博士后研究 (合作导师 jay d. keasling 院士)，并于 2019 年加入中国科学院深圳先进技术研究院。在 nature、nature chemical biology、cell chemical biology、nature synthesis、pnas 等知名学术期刊上发表论文 30 余篇。课题组聚焦于合成生物学领域中生命体内生物化学过程相关研究，主要结合遗传密码扩充技术，酶的定向进化，基因挖掘和代谢工程等多种化学生物学方法，基于大数据机器学习及高通量自动化，深入研究多种不同类别的天然产物及其衍生物的生物全合成的方法，并利用合成生物学方法，将研究成果转化至制药、个性化治疗、新材料等领域。
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tyrian purple 是一种源自海螺的古老而珍贵的染料，传统制备工艺极为复杂。该染料在纺织品染色、陶器、建筑和壁画等领域有着广泛应用；此外，研究表明这种昂贵的燃料除了传统用途之外还具有卓越的生物相容性半导体材料性能。然而，传统制备工艺耗时且需要大量原料。与此同时，化学合成 tyrian purple 的规模也受到溴气或氢溴酸溴化方法的限制，这些方法存在产率低、毒性大等问题，难以在工业上实现大规模生产。
tyrian purple 生物合成一锅法
高效、高产新策略
为了克服这些问题，研究团队采用了合成生物学的方法，利用微生物（如大肠杆菌）细胞工厂进行生物合成。在这项研究中，研究人员利用来自 streptomyces toxytricini 的色氨酸 6- 卤化酶 stth、来自 e. coli 的色氨酸酶 tnaa 和来自 providencia rettgeri gs-2 菌中的双组分吲哚氧化酶 gs-cd 等酶，成功实现了 tyrian purple 的选择性生物合成。
图 1. 在大肠杆菌体内通过一锅法生物合成 tyrian purple
为了提高酶的催化效率，研究团队进行了多方面的优化工作，包括优化色氨酸 6- 卤化酶的可溶性表达、培养基成分和浓度的优化，以及利用生物传感器延迟 tnaa-l3-gs-cd 的表达等策略。最终，研究人员通过热调控体系，实现了对 tnaa-l3-gs-cd 的精确调控，从而在大肠杆菌体内实现了从色氨酸选择性生产 tyrian purple 的目标。
图 2. 利用热调控体系选择性地生物合成 tyrian purple
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图 3. 基于液相串联质谱的产物及其杂质的定量分析
结语：
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这一研究为 tyrian purple 的大规模生产提供了新的思路和方法，降低了生物合成的成本，为该染料在天然染料和生物相容性半导体等领域的广泛应用奠定了基础。这种选择性一锅法生物合成 tyrian purple 的方法还为其他卤代靛蓝染料的生物合成提供了有益的参考。值得强调的是，该研究采用 lc-msms 等技术手段对合成产物进行了深入的分析，为研究提供了可靠的数据支持。科技创新与合成生物学的结合，为产业带来新的活力，为社会发展开创更美好的未来。
参考文献：
1. f. li et al. one-pot selective biosynthesis of tyrian purple in escherichia coli. metabolic engineering 81 (2024) 100-109.
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