Inżynieria Bakteryjna Umożliwia Masową Produkcję Ksantommatyny, Barwnika Głowonogów

Zdolność głowonogów, takich jak ośmiornice, do błyskawicznej zmiany barwy w celu kamuflażu, jest nierozerwalnie związana z obecnością pigmentu zwanego ksantommatyną. Przez dziesięciolecia próby odtworzenia tej złożonej ommochromy poza organizmem zwierzęcym napotykały na znaczące przeszkody chemiczne, ponieważ wcześniejsze syntezy były powolne, nieopłacalne i dawały znikome rezultaty z powodu skomplikowanej architektury molekularnej tej substancji.

Historyczne ograniczenie podaży zostało przełamane przez zespół badawczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, który ogłosił przełom w listopadzie 2025 roku. Naukowcy z powodzeniem zaprojektowali system biologiczny zdolny do wytwarzania ksantommatyny na skalę przemysłową, przenosząc związek z kategorii ciekawostki laboratoryjnej do potencjalnie komercyjnego surowca. Kluczem do tej innowacji, szczegółowo opisanej w publikacji w Nature Biotechnology, jest strategiczne przeprogramowanie powszechnej glebowej bakterii Pseudomonas putida. Badacze wprowadzili system określony jako „biosynteza sprzężona ze wzrostem” (GrowBio), który nierozerwalnie związał przetrwanie mikroba z wytwarzaniem docelowego pigmentu. To podejście rozwiązało typowy problem, w którym ścieżki o wysokiej wydajności często spowalniają lub całkowicie zatrzymują wzrost komórkowy, co jest powszechną bolączką w inżynierii metabolicznej.

Poprzez inżynieryjne wymuszenie zależności metabolicznej, naukowcy zapewnili, że bakterie mogą się rozwijać wyłącznie poprzez produkcję ksantommatyny, stanowiąc fundamentalną zmianę paradygmatu. To powiązanie osiągnięto poprzez zaprojektowanie precyzyjnej pętli metabolicznej w inżynieryjnym szczepie P. putida. Biosynteza ksantommatyny z jej prekursora, tryptofanu, naturalnie uwalnia jednowęglowy (C1) fragment, specyficznie mrówczan, jako produkt uboczny. Zespół badawczy zaprojektował bakterię jako 5,10-metylenotetrahydrofolatową auxotrofkę, co oznacza, że nie mogła rosnąć, dopóki ta niedobór C1 nie został skorygowany. Uwolniony mrówczan podczas produkcji ksantommatyny stał się kluczowym czynnikiem wzrostu, tworząc samopodtrzymujący się mechanizm sprzężenia zwrotnego, w którym generowanie pigmentu bezpośrednio napędzało wytwarzanie biomasy.

Rezultaty wykazały znaczący skok wydajności, przy czym nowa metoda zwiększyła miana produkcyjne nawet tysiąckrotnie w porównaniu z wcześniejszymi, mniej efektywnymi metodami. Optymalizacja ta została udoskonalona poprzez adaptacyjną ewolucję laboratoryjną, technikę, która pozwoliła mikrobom na autonomiczne zwiększanie swojej wydajności poprzez selekcję tempa wzrostu. Ten rygorystyczny proces usprawnił bioprodukcję do skali gramowej, wykorzystując proste źródła węgla, takie jak glukoza. Przełom ten sygnalizuje odejście od obciążającej środowisko syntezy chemicznej i ekstrakcji naturalnej, która nigdy nie była wykonalna dla ksantommatyny ze względu na ograniczenia etyczne i techniczne.

Ksantommatyna jest odpowiedzialna za kamuflaż u głowonogów, ale także przyczynia się do jaskrawego pomarańczowego i czerwonego zabarwienia owadów, takich jak motyle monarchy. Użyteczność pigmentu wykracza poza kolorystykę; badania eksplorowały jego potencjał w zaawansowanych materiałach. Jego profil absorpcji zależny od redoks pozwala mu działać w farbach zmieniających kolor pod wpływem światła, właściwość wykorzystywana w powłokach fotochromowych, gdzie odwracalna fotoredukcja powoduje przesunięcie kąta barwy nawet o 77% przy napromieniowaniu światłem słonecznym. Ponadto, analizy wskazują, że ksantommatyna może zwiększać właściwości absorpcji promieniowania UVA i UVB konwencjonalnych filtrów UV o ponad 50%, co pozycjonuje ją jako wielofunkcyjny składnik kosmetyczny, który w testach bakteryjnych okazał się nie-mutagenny.

Starszy autor, Bradley Moore, chemik morski z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, wraz z badaczami, w tym Leah Bushin ze Stanford University i Adamem Feistem z UC San Diego, podkreślili, że ta strategia sprzęgania wzrostu jest wszechstronna. Naukowcy z Moore Lab w Scripps Oceanography, współpracując z Centrum Biosyntetyki Novo Nordisk Foundation w Danii, uważają, że ten model, wykorzystujący biologię jako wydajną fabrykę, może być zaadaptowany do masowej produkcji szerokiej gamy związków o wysokiej wartości, w tym specjalistycznych leków i materiałów funkcjonalnych. Osiągnięcie to potwierdza naturę jako głębokie źródło dla projektowania zrównoważonych, wysokowydajnych materiałów, wspierając przejście od materiałów opartych na paliwach kopalnych do alternatyw pochodzenia naturalnego.