天然染料界曾流传这样一句话，只有碾碎的昆虫和森林植物才能浸染出最生动的颜色。
由此可见，以往大多数天然染料都是从动物或植物中获取，如植物染料：紫草（紫色）、苏木（黑色）、黄栀子（黄色）和苏枋（红色）等，动物染料：胭脂红酸和推罗紫等。近年来，随着生物技术的发展，研究人员正着手工程化改造微生物使其生成染料。
“它有可能改变该化合物的生产范式。” 丹麦技术大学的合成生物学家 Rasmus JN Frandsen 如此评价工程改造微生物生成染料。
以胭脂红酸为例，它是一种在胭脂虫（即Dactylopius coccus，长约 0.2 英寸的椭圆形介壳虫 ）中发现的芳香族聚酮化合物，常被用来为食品、纺织品和化妆品着色。胭脂红酸的使用可追溯到几千年前的玛雅和阿兹特克帝国统治时期，当时存在的猩红色商品就被证明是经胭脂红酸染色的。1967 年至 2009 年，美国食品药品监督管理局批准将胭脂红酸用于各种酸奶、蛋糕、糖果、饮料和肉类等各种食品。
它的制造过程一般是这样的：工人们首先在其选择的仙人掌（也称为梨仙人掌或胭脂）上饲养胭脂虫，将其晒干卖给加工商，加工商将虫子磨成粉末，将粉末与盐配对以分离胭脂红酸。使用目前的方法，估计需要 70000 只虫子才能生产 1 磅干昆虫和 0.2 磅胭脂红酸。
图丨胭脂虫的传统收获方式（来源：Smithsonian Magazine）
随着全球对胭脂红酸的需求增加，伴随着不断攀升的劳动力成本，胭脂红酸产业变得紧张起来。在胭脂虫最大的生产国秘鲁，每吨胭脂红酸染料的价格在 2013 年至 2019 年间上涨了 40%。
价格也并不是它唯一的问题。2018 年，一篇来自于日本的研究报告也指出，由于残留的昆虫分子，一小部分人会对胭脂虫染料产生过敏反应，即使该水平不高于其他常见过敏原。
因此，科研人员将生产新的胭脂红酸方法转向代谢工程，即操纵生物内部的代谢途径以生产胭脂红酸，但挑战在于制造胭脂红酸的完整生化途径未知。上文中提到的 Frandsen 团队决定从胭脂红酸的结构开始，找出如何用已知生化途径的酶对其逆向工程。
Frandsen 团队首先预测了所需的起始成分、生化步骤和催化这些步骤的酶。他们设计了八种可能产生胭脂红酸的潜在生化途径，并测试了几种宿主进行基因工程，最终确定了一种真菌Aspergillus nidulans。
通过反复实验，该团队在从真菌中删除一些基因（以禁用竞争生化途径）并添加其他几个提供适当酶的基因（一个来自植物，两个来自细菌）后，创建了胭脂红酸的三环核心，这个核心经Aspergillus nidulans中已经存在的一种未知酶加工后，产生一种叫做 kermesic 的中间结构。
最后，加入胭脂虫本身含有的可转化为胭脂红酸的酶的基因，发现该真菌可产生胭脂红酸。该研究成果于 2018 年 8 月以 “Heterologous production of the widely used natural food colorant carminic acid inAspergillus nidulans” 为题发表在Scientific reports上。但当时反应的效率远不足以考虑大规模生产，而且由于其中一种酶仍然未知，因此很难优化生产。
（来源：研究论文1）
2021 年 4 月，来自韩国科学技术高等研究院的 Sang Yup Lee 课题组在 JACS 上首次报告了用工程化大肠杆菌从葡萄糖生物合成胭脂红酸的工作，经过简单的代谢工程，随后分批补料发酵，可从葡萄糖生产 0.63±0.02 mg/L 的胭脂红酸。
（来源：研究论文2）
这次实验规模虽然仍较小，但科学家表示，如果扩大规模，并假设每升生产 5 克胭脂红酸，那么在 100000 升发酵罐中培养大肠杆菌 5 天即可产生，而这将需要消耗一公顷仙人掌上生长的胭脂虫一年的时间。
Frandsen 表示，这两项研究表明了合成生物学巨大的潜力，但在将这一过程扩大到工业水平之前，仍有很多工作要做，如调整微生物中各种酶的数量或效率，以优化胭脂红酸的产生并减少不需要的副产物的数量。
参考资料：
1、https://www.smithsonianmag.com/innovation/scientists-are-making-cochineal-a-red-dye-from-bugs-in-the-lab-180979828/
3、https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c12406
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