甜菜素（Betalain）因最早发现于甜菜根中而得名，是酪氨酸衍生的水溶性色素， 包括甜菜红素（betacyanin）和甜菜黄素（betaxanthin）2 种形式。
甜菜红素具有抗氧化、降血脂、抗炎症和抗糖尿病等多种有益作用，是优质健康的食品添加剂；另外，由于呈现肉眼可见的亮红色，甜菜红素可作为良好的遗传分子标记，并已经在拟南芥、烟草和水稻等模式植物中得到了应用。
目前，甜菜红素的工业生产主要以红甜菜为原料进行提取纯化，但是传统提取技术的提取率极不稳定，且提取出来的色素纯度低。研究人员尝试采用新型技术如超声波、微波等辅助技术，结合大孔树脂吸附、膜分离等纯化手段来进行技术升级，但过程仍然比较繁琐。
随着合成生物学的兴起，人们开始尝试在多种生物体中异源合成甜菜红素，并成功在微生物以及拟南芥等异源植物中实现了甜菜红素的多基因合成，如加州大学圣地亚哥分校的 Yunde Zhao 教授团队在拟南芥中开发了“Ruby“作为良好的遗传标记。但是以动物模型作为生产宿主的研究尚无报道。
2023 年 8 月 8 日，PNAS在线发表了江苏科技大学生物技术学院/农业农村部蚕桑遗传改良重点实验室谭安江团队题为“Engineering a complex, multiple enzyme-mediated synthesis of natural plant pigments in the silkworm, Bombyx mori” 的研究论文，并在“in this issue“中做了重点推荐。该研究首次报道了在昆虫（家蚕）中构建天然植物化合物的多基因生物合成途径，从而高效合成甜菜红素。陈凯为文章第一作者，谭安江为文章通讯作者。
（来源：PNAS）
“此研究实现了在动物模型中高效合成植物来源的甜菜红素，更重要的是验证了跨界之间的异源表达可以在昆虫中成功实施，为天然化合物的异质生物合成提供了一种方法。”陈凯告诉生辉SynBio。
▲图丨陈凯（来源：受访者提供）
陈凯本科就读于西北工业大学，硕士及博士就读于中国科学院分子植物科学卓越创新中心，硕博期间主要进行家蚕的性别决定和基因功能相关研究。目前的研究方向主要是家蚕的生殖发育以及丝腺生物反应器。
在家蚕体内建立复杂的合成途径
天然植物色素的生物合成途径复杂，在动物体内表达挑战很大。“利用动物模型合成甜菜红素面临的难点包括如何构建更多基因参与的合成通路，基因是否可以正确表达，以及获得的产物是否具有正确的生物活性等等。”陈凯说道。
陈凯等人在甜菜红素的两条主要合成通路中选择了较少被研究的一种。
通路一是以酪氨酸为底物，通过三个酶促反应和若干个自发反应合成。首先，酪氨酸经细胞色素 P450 酶（CYP76AD1/5/6）催化羟基化为 L-3,4-二羟基苯丙氨酸（左旋多巴，L-DOPA）。然后，L-DOPA 会发生两种反应，一是被 CYP76AD1 进一步氧化并环化为 cyclo-DOPA；二是在 DOPA 4,5-双加氧酶（DODA）的作用下转化为甜菜醛氨酸（betalamic acid）。随后两种反应的产物经过自发反应生成甜菜苷配基（betanidin）。最后，甜菜苷配基在 5-O-葡糖基转移酶（betanidin 5-O- glucosyltransferase，Db5GT）的作用下糖基化生成结构最简单的甜菜红素，即甜菜苷（betanin）。
通路二与通路一的区别是采用了不同的糖基转移酶。通路一是甜菜苷配基葡萄糖基转移酶（Db5GT），通路二是环-二羟基苯丙氨酸葡萄糖基转移酶（cyclo-DOPA-5-O-glucosyltransferase，cDOPA5GT）。
在通路二中，cyclo-DOPA 首先在 5'O 位置被 5-O 葡萄糖基转移酶（cDOPA5GT）糖基化形成 cyclo-DOPA-5-O 葡糖苷，其随后与甜菜醛氨酸经过自发反应生成甜菜苷。甜菜苷还可发生糖基化和乙酰化，形成更多种结构复杂的甜菜红素。
▲图丨甜菜红素生物合成途径主要酶促反应和自发反应的简化示意图。实线箭头表示酶促反应，而虚线箭头和“S”表示自发反应（来源：受访者提供）
陈凯告诉生辉SynBio，“之前已报道的研究中大多采用了通路二，本项研究则选择了通路一，一方面是考虑到研究的新颖性，另一方面是因为 Db5GT 分子量更小，易于组装，也可能进一步提高表达量。”
因此，研究人员通过遗传转化在家蚕中导入了甜菜红素合成通路的三个基因，分别是CYP76AD1、DODA和Glucosyltransferase。
对比广谱性启动子 IE1 和丝腺特异启动子 FibH 调控基因表达的效果，在遗传转化家蚕中，前者的甜菜红素主要在幼虫和蛹的体液中积累，其含量达到 274μg/ml；后者的甜菜红素主要在幼虫丝腺中合成并积累，并随着吐丝过程分泌到蚕茧中。在茧层中的甜菜红素可在室温下用水溶出回收，其含量达到 14.4μg/mg。
甜菜红素回收和蚕茧生产具有双重效益
这项研究成果打破了甜菜红素的提取困境。“只要将得到的蚕茧在水里泡一下，就能得到这种植物色素。我们是在蚕业生产上常用的品系中进行的改良，因此可以很容易进行蚕种的推广。”
值得一提的是，甜菜红素的回收对蚕茧的丝质没有任何影响。“这将会为蚕业生产带来更大的经济效益，因为可以在正常获取蚕茧所带来的效益之外，还能额外获得另外一种有价值的副产品。”
（来源：受访者提供）
接下来，为了进一步提升产量，“我们可能会在不影响蚕茧本身的情况下进一步提高这三种基因在丝腺中的表达量，如利用 Cas9 进行不依赖转座子的定点敲入等等。”
陈凯还表示，目前蚕茧中的甜菜红素的含量已经比较可观了，有比较好的商业化潜力。但在真正产业化应用之前，可能还需要为甜菜红色素的回收提供一套合理的方案，从而最大化经济效益。“除此之外，我们也可能进一步开发全身表达甜菜红色素的实用品种。”
总的来说，该研究不仅证实甜菜红素可作为昆虫遗传转化研究的可视化分子标记，也为今后利用家蚕多基因合成有价值的小分子化合物以及植物天然产物提供了可行性。
（来源：受访者提供）
据陈凯透露，团队目前还在进行改良家蚕丝腺生物反应器的其他尝试，比如进一步提高外源蛋白的产量，尝试表达其他的天然产物等。
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