Bacteriële Biosynthese Levert Xanthommatine Op, Pigment van Octopuscamouflage

Het vermogen van de octopus om van kleur te veranderen, een fenomeen dat de wetenschap al decennialang fascineert, wordt aangedreven door het natuurlijke pigment xanthommatine. Het nabootsen van dit camouflage-effect buiten het dier was historisch gezien een bijna onmogelijke opgave voor chemici. Pogingen om xanthommatine in het laboratorium te synthetiseren waren traag, kostbaar en leverden minimale resultaten op vanwege de complexe chemische structuur van het pigment. Bovendien was extractie uit dieren, zoals de eerder genoemde koppotigen of insecten zoals de monarchvlinder, geen levensvatbare optie vanwege technische moeilijkheden en ethische bezwaren.

Echter, in november 2025, ontwikkelden onderzoekers aan de Universiteit van Californië in San Diego (UCSD) een biologische techniek die de productie van deze natuurlijke verbindingen fundamenteel verandert. Voor het eerst slaagde een bacteriestam erin om grote hoeveelheden van dit pigment, dat ook de heldere oranje tot rode tinten bij insecten verzorgt, efficiënt te produceren. Deze doorbraak, die de efficiëntie van eerdere methoden met een factor duizend overtrof, bevestigt dat biotechnologie nu in staat is om processen die voorheen uitsluitend aan het dierenrijk toebehoorden, na te bootsen. Het team maakte gebruik van een gemodificeerde stam van de bodembacterie Pseudomonas putida, een organisme dat al breed wordt ingezet in de industriële biotechnologie.

In plaats van productie af te dwingen, wat de groei vaak belemmert, ontwierpen de wetenschappers een intelligent systeem dat bekend staat als 'biosynthesis coupled to growth' (GrowBio). Dit systeem dwong de bacteriën om alleen te overleven door xanthommatine te genereren, waardoor de celgroei direct aan de productie werd gekoppeld. De kern van deze innovatie lag in het creëren van een metabole lus: elke keer dat de bacterie een molecuul xanthommatine aanmaakte, kwam er tegelijkertijd formate vrij, een stof die de groei van de bacterie bevorderde. Dit creëerde een perfecte symbiose waarin het eigenbelang van de microbe samenviel met het doel van het laboratorium.

Deze strategie, die de afhankelijkheid van de bacterie van een C1-metaboliet zoals formate herstelt, is een algemeen toepasbare benadering om de ontwikkeling van de biosynthese van natuurlijke producten in bacteriën te versnellen. Door deze methode werden productieniveaus bereikt die tot duizend keer hoger waren dan bij eerdere pogingen, wat een enorme sprong voorwaarts betekende in het transformeren van bacteriën tot fabrieken voor natuurlijke pigmenten. De prestaties werden verder gestroomlijnd door middel van adaptieve laboratoriumevolutie, een proces waarbij de micro-organismen hun efficiëntie autonoom konden verbeteren door middel van selectie op groeisnelheid. Dankzij deze geoptimaliseerde aanpak werden producties op gram-schaal gerealiseerd, uitgaande van eenvoudige suikers zoals glucose.

Deze doorbraak biedt duurzame oplossingen voor complexe industriële vraagstukken door vervuilende chemische processen te vervangen. Het maakt de schone, gecontroleerde en reproduceerbare productie van waardevolle verbindingen mogelijk, waardoor de noodzaak van winning uit de natuur wordt geëlimineerd. De toepassingen reiken verder dan alleen kleurstoffen; de technologie kan potentieel worden ingezet voor licht- of warmtegevoelige materialen, slimme coatings, natuurlijke zonnefilters of ecologische kleurstoffen. De onderzoekers van UCSD concluderen dat dit model toepasbaar is op een breed scala aan producten, waaronder medicijnen en functionele materialen.

De ontwikkeling markeert een verschuiving in de benadering van synthetische biologie, waarbij het ontwerpen van een systeem dat afhankelijk is van een heteroloog geproduceerd bijproduct de optimalisatie versnelt. Dit onderzoek, dat mede werd uitgevoerd door onderzoekers van het Center for Marine Biotechnology and Biomedicine van Scripps Institution of Oceanography, toont de veelzijdigheid van de 'plug-and-play' GrowBio-strategie aan voor de productie van structureel complexe dierlijke biopigmenten. Het vermogen om met behulp van P. putida en een dergelijke ingenieuze koppeling waardevolle moleculen te produceren, wijst op een paradigmaverschuiving naar het gebruik van gemodificeerde organismen als duurzame productiefaciliteiten.