随着生物资源的开发，天然黑色素因其优异的紫外吸收、导电性和抗辐射等特性，在化妆品、功能食品和材料科学等领域受到了广泛关注。相比植物和动物来源的黑色素，微生物来源的黑色素因其生产高效和工艺简便，展现出更大的应用潜力。其中，链霉菌、假单胞菌等细菌被认为是重要的黑色素生产菌。然而，细菌黑色素的合成途径仍存在诸多未解之谜，特别是醋酸菌的黑色素合成机制尚未得到深入研究。
近日，华中农业大学食品科学技术学院陈福生团队对古墓葡糖醋杆菌FBFS 97 (以下简称FBFS 97) 进行了研究，发现该菌株能够产生大量棕色色素 (Brown Pigment，BP)，通过分析和鉴定确认BP为真黑色素 (Eumelanin)。研究进一步探讨了该色素的合成途径，为醋酸菌黑色素合成机制的研究提供了新的思路。
研究过程与结果
研究人员预测并分析了FBFS 97基因组中与真黑色素合成相关的基因，采用基因无痕敲除技术分别敲除了 yfiH、phhB 和 pheA 基因。结果表明，ΔpheA 突变株的黑色素产量显著高于野生型菌株和其他突变株，而ΔyfiH 和ΔphhB 突变株的黑色素产量与野生型相当，表明 yfiH 和 phhB 基因与黑色素合成无关，pheA 基因敲除则促进了黑色素的合成。
图1. 展示了基因无痕敲除系统的示意图 (A)，目标基因敲除的琼脂糖凝胶电泳结果 (B)，以及野生型和敲除菌株的生长情况 (C) 和黑色素产量 (D) 的比较。
基于色素类型鉴定和基因敲除实验结果，研究人员提出了FBFS 97菌株的真黑色素合成途径 (图2)。生信分析表明，该菌株缺乏典型的酪氨酸酶，表明其黑色素合成可能依赖非酪氨酸酶途径。敲除 yfiH 基因 (编码漆酶) 后，黑色素产量未发生变化，表明该酶不参与黑色素的合成。此外，phhB 基因 (参与苯丙氨酸代谢) 的敲除也未影响黑色素产量，表明FBFS 97体内的酪氨酸合成不依赖于苯丙氨酸。
相反，pheA 基因 (编码预苯酸脱水酶 PheA) 敲除显著提高了黑色素产量。PheA 催化预苯酸转化为苯丙酮酸，后者进一步代谢为苯丙氨酸。敲除 pheA 基因可促使更多的预苯酸转化为酪氨酸，从而增加内源性酪氨酸的合成，进而促进真黑色素的产生，因为酪氨酸是真黑色素生物合成的重要前体。此外，pheA 敲除可能通过代谢网络调节影响其他途径，为黑色素合成提供额外支持，其潜在机制值得进一步探索。
进一步分析表明，FBFS 97可能通过其他具有酪氨酸酶功能的酶替代典型酪氨酸酶催化黑色素合成。基于以上研究结果，最终构建了FBFS 97菌株的真黑色素合成途径图。
图2. 展示了研究人员基于实验结果提出的FBFS 97菌株真黑色素生物合成途径。
研究总结
在本研究中，FBFS 97产生的BP被鉴定为真黑色素，以酪氨酸为前体，通过L-多巴途径合成。敲除 pheA 基因显著提高了真黑素的产量，表明其在黑色素的代谢调控中可能发挥重要作用，为优化真黑色素生物合成提供了新的靶点。未来需通过生化实验进一步鉴定关键酶及其催化机制，并解析其调控网络，以优化FBFS 97菌株的真黑色素生物合成。本研究有助于深入理解醋酸菌黑色素的合成机制，为工业微生物色素生产及生物技术应用提供新的理论依据和潜在策略。
原文出自 Microorganisms 期刊：https://www.mdpi.com/3192970
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/microorganisms
Microorganisms 期刊介绍
主编：Nico Jehmlich , Department of Molecular Systems Biology, UFZ-Helmholtz Centre for Environmental Research, Germany
期刊主题涵盖微生物学的各个研究领域，主要发表环境、植物、食品、肠道、医药、技术等微生物相关领域的学术文章。现已被 SCIE (Web of Science)、PubMed (NLM)、Scopus 等重要数据库收录。
2023 Impact Factor：4.1
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