En forskargrupp vid KAIST har konstruerat bakteriestammar som kan producera tre karotenoider och fyra violaceinderivat, slutföra de sju färgerna i regnbågens spektrum. Forskargruppen integrerade systemmetabolisk teknik och membranteknikstrategier för produktion av sju naturliga regnbågsfärgämnen i konstruerade Escherichia coli-stammar. Strategierna kommer också att vara användbara för effektiv produktion av andra industriellt viktiga naturprodukter som används i maten, farmaceutisk, och kosmetiska industrier.

Färgämnen används ofta i våra liv och är direkt relaterade till människors hälsa när vi äter livsmedelstillsatser och bär kosmetika. Dock, de flesta av dessa färgämnen är gjorda av petroleum, orsakar oväntade biverkningar och hälsoproblem. Vidare, de väcker miljöproblem som vattenföroreningar från färgning av tyg i textilindustrin. Av dessa anledningar, efterfrågan på produktion av naturliga färgämnen med mikroorganismer har ökat, men kunde inte enkelt realiseras på grund av den höga kostnaden och det låga utbytet av bioprocesserna.

Dessa utmaningar inspirerade de metaboliska ingenjörerna vid KAIST inklusive forskarna Dr. Dongsoo Yang och Dr. Seon Young Park, och framstående professor Sang Yup Lee från Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik. Teamet rapporterade studien med titeln "Production of rainbow colorants by metabolically engineered Escherichia coli" i Avancerad vetenskap online den 5 maj. Den valdes som tidskriftsomslag till 7 juli-numret.

Denna forskning rapporterar för första gången produktionen av regnbågsfärgämnen som består av tre karotenoider och fyra violaceinderivat från glukos eller glycerol via systemmetabolism och membranteknik. Forskargruppen fokuserade på produktion av hydrofoba naturliga färgämnen användbara för lipofila livsmedel och färgning av plagg. Först, använder systemmetabolism, som är en integrerad teknik för att konstruera metabolismen av en mikroorganism, tre karotenoider innefattande astaxantin (röd), -karoten (orange), och zeaxantin (gul), och fyra violaceinderivat innefattande proviolacein (grönt), prodeoxiviolacein (blått), violacein (marin), och deoxiviolacein (lila) kan produceras. Således, produktionen av naturliga färgämnen som täcker hela regnbågsspektrat uppnåddes.

När hydrofoba färgämnen produceras från mikroorganismer, färgämnena ackumuleras inuti cellen. Eftersom ackumuleringskapaciteten är begränsad, de hydrofoba färgämnena kunde inte framställas med högre koncentrationer än gränsen. I detta avseende forskarna konstruerade cellmorfologin och genererade innermembranvesiklar (sfäriska membranstrukturer) för att öka den intracellulära kapaciteten för att ackumulera de naturliga färgämnena. För att ytterligare främja produktionen, forskarna genererade yttre membranvesiklar för att utsöndra de naturliga färgämnena, därmed lyckas vi effektivt producera alla sju regnbågens färgämnen. Det var ännu mer imponerande att produktionen av naturliga gröna och marinblå färgämnen uppnåddes för första gången.

"Tillverkningen av de sju naturliga regnbågsfärgämnena som kan ersätta de nuvarande petroleumbaserade syntetiska färgämnena uppnåddes för första gången, "sade Dr Dongsoo Yang. Han förklarade att en annan viktig punkt i forskningen är att integrerade metabola tekniska strategier som utvecklats från denna studie kan vara allmänt tillämpbara för effektiv produktion av andra naturprodukter som är användbara som läkemedel eller näringsläkemedel." ett åldrande samhälle 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, " förklarade den framstående professorn Sang Yup Lee.