Een onderzoeksgroep bij KAIST heeft bacteriestammen ontwikkeld die in staat zijn drie carotenoïden en vier violaceïnederivaten te produceren, voltooiing van de zeven kleuren in het regenboogspectrum. Het onderzoeksteam integreerde strategieën voor systeemmetabolische engineering en membraantechnologie voor de productie van zeven natuurlijke regenboogkleurstoffen in gemanipuleerde Escherichia coli-stammen. De strategieën zullen ook nuttig zijn voor de efficiënte productie van andere industrieel belangrijke natuurlijke producten die in het voedsel worden gebruikt, farmaceutisch, en cosmetische industrieën.

Kleurstoffen worden veel gebruikt in ons leven en zijn direct gerelateerd aan de menselijke gezondheid wanneer we voedseladditieven eten en cosmetica dragen. Echter, de meeste van deze kleurstoffen zijn gemaakt van aardolie, onverwachte bijwerkingen en gezondheidsproblemen veroorzaken. Verder, ze roepen milieuproblemen op, zoals watervervuiling door het verven van stoffen in de textielindustrie. Om deze redenen, de vraag naar de productie van natuurlijke kleurstoffen met behulp van micro-organismen is toegenomen, maar kon niet gemakkelijk worden gerealiseerd vanwege de hoge kosten en lage opbrengst van de bioprocessen.

Deze uitdagingen inspireerden de metabole ingenieurs van KAIST, waaronder onderzoekers Dr. Dongsoo Yang en Dr. Seon Young Park, en Distinguished Professor Sang Yup Lee van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering. Het team rapporteerde de studie getiteld "Production of rainbow colourants by metabolically engineered Escherichia coli" in Geavanceerde wetenschap online op 5 mei. Het werd geselecteerd als de tijdschriftomslag van het nummer van 7 juli.

Dit onderzoek rapporteert voor het eerst de productie van regenboogkleurstoffen bestaande uit drie carotenoïden en vier violaceïnederivaten uit glucose of glycerol via systems metabolic engineering en membraanengineering. De onderzoeksgroep richtte zich op de productie van hydrofobe natuurlijke kleurstoffen die nuttig zijn voor lipofiele voeding en het verven van kleding. Eerst, met behulp van systeemmetabolische engineering, wat een geïntegreerde technologie is om het metabolisme van een micro-organisme te ontwikkelen, drie carotenoïden bestaande uit astaxanthine (rood), -caroteen (oranje), en zeaxanthine (geel), en vier violaceïnederivaten bestaande uit proviolaceïne (groen), prodeoxyviolaceïne (blauw), viooltje (marine), en deoxyviolaceïne (paars) zou kunnen worden geproduceerd. Dus, de productie van natuurlijke kleurstoffen die het volledige regenboogspectrum dekken, werd bereikt.

Wanneer hydrofobe kleurstoffen worden geproduceerd uit micro-organismen, de kleurstoffen worden in de cel verzameld. Omdat de accumulatiecapaciteit beperkt is, de hydrofobe kleurstoffen konden niet worden geproduceerd met hogere concentraties dan de limiet. In dit verband, de onderzoekers ontwikkelden de celmorfologie en genereerden binnenmembraanblaasjes (sferische vliezige structuren) om de intracellulaire capaciteit voor het accumuleren van de natuurlijke kleurstoffen te vergroten. Om de productie verder te bevorderen, de onderzoekers genereerden buitenmembraanblaasjes om de natuurlijke kleurstoffen af ​​te scheiden, en slaagde er dus in om alle zeven regenboogkleurstoffen efficiënt te produceren. Het was nog indrukwekkender dat voor het eerst de productie van natuurlijke groene en marinekleurstoffen werd bereikt.

"De productie van de zeven natuurlijke regenboogkleurstoffen die de huidige op petroleum gebaseerde synthetische kleurstoffen kunnen vervangen, werd voor het eerst bereikt, " zei Dr. Dongsoo Yang. Hij legde uit dat een ander belangrijk punt van het onderzoek is dat geïntegreerde metabolische engineeringstrategieën die uit deze studie zijn ontwikkeld algemeen toepasbaar kunnen zijn voor de efficiënte productie van andere natuurlijke producten die nuttig zijn als farmaceutica of nutraceuticals. "Als het behoud van een goede gezondheid in een vergrijzende samenleving wordt steeds belangrijker, we verwachten dat de hier ontwikkelde technologie en strategieën een cruciale rol zullen spelen bij het produceren van andere waardevolle natuurlijke producten van medisch of voedingsbelang, " verklaarde Distinguished Professor Sang Yup Lee.