En forskargrupp vid KAIST har konstruerat en bakterie som kan producera ett naturligt rött färgämne, karminsyra, som används flitigt för mat och kosmetika. Forskargruppen rapporterade den fullständiga biosyntesen av karminsyra från glukos i konstruerad Escherichia coli. Strategierna kommer att vara användbara för design och konstruktion av biosyntetiska vägar som involverar okända enzymer och följaktligen produktionen av olika industriellt viktiga naturprodukter för maten, farmaceutisk, och kosmetiska industrier.

Karminsyra är ett naturligt rött färgämne som ofta används för produkter som jordgubbsmjölk och läppstift. Dock, karminsyra har framställts av odling av cochenille, en fjällinsekt som bara växer i regionen runt Peru och Kanarieöarna, följt av en komplicerad reningsprocess i flera steg. Dessutom, karminsyra innehåller ofta proteinföroreningar som orsakar allergier, så många människor är ovilliga att konsumera produkter gjorda av insektsdrivna färgämnen. På det kontot, Tillverkare runt om i världen använder alternativa röda färgämnen trots att karminsyra är ett av de mest stabila naturliga röda färgämnena.

Dessa utmaningar inspirerade forskargruppen för ämnesomsättningsteknik vid KAIST att ta itu med denna fråga. Dess medlemmar inkluderar postdoktorala forskare Dongsoo Yang och Woo Dae Jang, och framstående professor Sang Yup Lee vid institutionen för kemisk och biomolekylär teknik. Denna studie med titeln "Production of carminic acid by metabolically engineered Escherichia coli" publicerades online i Journal of the American Chemical Society ( JACS ) den 2 april.

Denna forskning rapporterar för första gången utvecklingen av en bakteriestam som kan producera karminsyra från glukos via metabolisk teknik och datorsimuleringsassisterad enzymteknik. Forskargruppen optimerade typ II polyketidsyntasmaskineriet för att effektivt producera prekursorn för karminsyra, flavokermesinsyra.

Eftersom enzymerna som ansvarar för de återstående två reaktionerna varken upptäcktes eller fungerade, biokemisk reaktionsanalys utfördes för att identifiera enzymer som kan omvandla flavokermesinsyra till karminsyra. Sedan, homologimodellering och dockningssimuleringar utfördes för att förbättra aktiviteterna för de två identifierade enzymerna. Teamet kunde bekräfta att den slutliga konstruerade stammen kunde producera karminsyra direkt från glukos. C-glukosyltransferaset som utvecklats i denna studie visade sig vara allmänt tillämpligt för andra naturliga produkter, vilket framgår av den framgångsrika produktionen av ytterligare en produkt, aloesin, som finns i aloeblad.

"Den viktigaste delen av denna forskning är att okända enzymer för produktion av naturliga målprodukter identifierades och förbättrades genom biokemiska reaktionsanalyser och datorsimuleringsassisterad enzymteknik, " säger Dr. Dongsoo Yang. Han förklarade att utvecklingen av ett allmänt tillämpbart C-glukosyltransferas också är användbart eftersom C-glukosylering är en relativt outforskad reaktion i bakterier inklusive Escherichia coli. Genom att använda C-glukosyltransferaset som utvecklats i denna studie, både karminsyra och aloesin framställdes framgångsrikt från glukos.

"En hållbar och insektsfri metod för att producera karminsyra uppnåddes för första gången i denna studie. Okända eller ineffektiva enzymer har alltid varit ett stort problem i biosyntesen av naturliga produkter, och här föreslår vi en effektiv lösning för att lösa detta problem. Eftersom att upprätthålla god hälsa i det åldrande samhället blir allt viktigare, vi förväntar oss att den teknik och de strategier som utvecklas här kommer att spela en avgörande roll för att producera andra värdefulla naturprodukter av medicinsk eller näringsmässig betydelse, " sa den ärade professorn Sang Yup Lee.