科學家利用生長耦合機制實現章魚色素黃嘌呤素規模化生物製造

加州大學聖地牙哥分校的研究團隊於2025年11月宣布一項重大突破，成功開發出能以工業規模生產章魚等頭足類動物所用核心色素——黃嘌呤素（xanthommatin）的生物系統。這種色素的複雜分子結構過去是化學家難以在體外大規模複製的技術瓶頸，傳統合成方法因耗時、成本高昂且產量極低，使其應用受限。此次成果將黃嘌呤素從學術研究範疇轉化為具備商業潛力的材料。

該創新成果的核心，如其在《自然生物技術》（Nature Biotechnology）期刊上所揭示，在於對常見的土壤細菌「惡臭假單胞菌」（Pseudomonas putida）進行了策略性的重新編程。研究人員引入了一種名為「生長耦合生物合成」（biosynthesis coupled to growth，簡稱GrowBio）的系統，該系統將微生物的生存與目標色素的生成緊密聯繫起來。此方法透過建立代謝依賴性，解決了傳統高產量生產途徑中細胞生長遲緩或停滯的問題，確保細菌只有在持續製造黃嘌呤素的過程中才能有效生長。

實現這種關鍵連結的基礎，是在工程化的P. putida菌株中設計了一個精確的代謝迴路。黃嘌呤素從其前體色胺酸（tryptophan）的生物合成過程中，會釋放甲酸（formate）作為單碳（C1）副產品。研究團隊將該細菌設計成5,10-甲基四氫葉酸營養缺陷型，意即若無C1補充，細胞便無法生長。因此，黃嘌呤素生產所釋放的甲酸，成為驅動細胞生長的必要燃料，形成一個自我維持的反饋機制，使色素生成直接促進了生物質的增長。

透過這種生長耦合策略，生產效率相較於先前方法提高了高達千倍。資深作者布萊德利·摩爾（Bradley Moore）指出，這項成就標誌著從環境負擔較大的化學合成或技術上不可行的自然萃取，轉向更可持續的生物製造範式。科學家們進一步運用「適應性實驗室進化」技術，透過生長速率選擇來優化產量，最終使該生物生產流程得以利用葡萄糖等簡單碳源進行克級的生物製造。

黃嘌呤素的應用潛力不僅限於頭足類動物的偽裝，它也存在於帝王蝶等昆蟲的著色中。更重要的是，其功能性延伸至先進材料領域，由於具備氧化還原依賴性的吸收光譜，黃嘌呤素可作為光致變色塗層的組件。研究還發現，它能使常規UV過濾劑的UVA和UVB吸收性能提升超過50%，使其成為一種多功能的化妝品成分，且在細菌試驗中未顯示出致突變性。

聖地牙哥加州大學的研究人員總結，這種生長耦合策略展現出極高的通用性。他們推測，這種將生物體視為高效工廠的模型，可廣泛應用於多種高價值化合物的規模化製造，涵蓋專業藥物與功能性材料的生產，證實了自然界是設計永續、高效能材料的深厚寶庫。