9月1日，记者从江苏科技大学获悉，该校生物技术学院/农业农村部蚕桑遗传改良重点实验室谭安江教授团队，首次实现了在家蚕体内合成植物化合物甜菜红素。该技术让蚕宝宝能吐出玫瑰色的蚕丝，织出色彩艳丽的茧，把蚕茧用水泡一泡，就能得到甜菜红素这种水溶性的植物色素。相关研究成果日前在线发表于《美国国家科学院院刊》。
论文第一作者、江苏科技大学陈凯博士告诉记者，该研究的意义在于首次把植物体内的合成路径搬到动物体内，在家蚕体内构建天然生物反应器，开展跨物种的天然化合物制备。
导入三种基因在家蚕体内打造“超级工厂”
天然植物色素具有重要的经济和药用价值，其复杂的生物合成途径一直是广受关注的科学问题。甜菜素因最早被发现于甜菜根中而得名，包括甜菜红素和甜菜黄素两种形式。甜菜红素是优质健康的食品添加剂，可用于食品染色。除了食用功能，甜菜红素还具有抗氧化、降血脂、抗炎症和抗糖尿病等多种医学和药用价值。另外，由于甜菜红素呈现肉眼可见的亮红色，因此可作为良好的遗传分子标记物，并已经在拟南芥、烟草和水稻等模式植物中得到了应用。
过去，甜菜红素都是从植物中提取。陈凯告诉记者，在植物体内，甜菜红素以酪氨酸为底物，经过三个酶促反应和若干自发反应合成，但此前利用动物合成甜菜红素尚无先例。而研究团队要做的就是把这种合成路径搬到家蚕体内。
研究人员通过遗传转化，向家蚕体内导入植物体内三个酶促反应所需的三种基因。这样家蚕就成为天然的生物反应器，不需要外界干预就能在体内自主合成甜菜红素。此时蚕宝宝的体内就像一个没有工人的“超级工厂”，甜菜红素主要在家蚕幼虫的丝腺中合成和积累，并随着吐丝过程分泌到蚕茧中。
“在我们的研究中，甜菜红素的回收非常简单，只要将蚕茧在水里泡一下就可以了，而且对丝质没有任何影响。” 陈凯说道。
利用家蚕合成甜菜红素有商业化潜力
此前，天然蚕丝的颜色除了常见的白色之外，还有绿色、黄色、粉红色等，但作用仅限于为丝绸增色。而这项研究为今后利用家蚕生物反应器开展天然化合物的规模化制备开辟了新的途径。
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。为此，研究人员尝试采用超声波、微波等新型技术作为辅助技术，结合大孔树脂吸附、膜分离等纯化手段来进行技术升级，但提取纯化的过程仍然比较繁琐。
“我们在蚕茧中回收的甜菜红素，含量达到14.4微克/毫克。” 陈凯表示，相比于从植物中提取甜菜红素，利用家蚕合成甜菜红素的优势非常明显。一是提取率比较稳定，大约为1.4%，有较好的商业化潜力；二是只需室温水浸泡就能回收，步骤简单，且无杂质残留。
陈凯说，这项研究不仅破解了甜菜红素的提取难题，而且为蚕业生产带来了更大的经济效益。甜菜红素的回收不会影响蚕茧的丝质，蚕农除了蚕丝还能额外获得甜菜红素这种有价值的副产品。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，尝试在家蚕体内合成其他的天然产物等。
近年来，得益于技术突破和政策支持等，被誉为第三次生物技术革命的合成生物学取得突破性发展，相关技术广泛运用在医疗健康、绿色能源、日化美妆、生物基材料、食品消费等领域。陈凯表示，本研究不仅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越动物与植物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。
