加州大学圣地亚哥分校的研究人员发现了如何让细菌产生黄素单核苷酸，这种色素能让章鱼和鱿鱼进行伪装。通过将色素的产生与细菌的生存联系起来，他们创建了一个能够大幅提高产量的自我维持系统。这一生物技术突破可能给材料科学、化妆品和可持续化学带来革命性变革。
章鱼、鱿鱼、墨鱼及其头足纲近亲是伪装大师，能够瞬间改变皮肤颜色以融入周围环境。这种非凡的转变是由一种名为黄素蛋白的天然色素驱动的，这种色素在其变色皮肤中起着关键作用。
多年来，研究人员甚至国防组织都一直被黄素蛋白的光响应特性所吸引。然而，在实验室中复制和研究这种色素一直极具挑战性——直到现在。
在加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的一项新突破中，科学家们成功创建了一种方法来生产大量的黄素蛋白。这标志着在解码动物如何实现其卓越伪装方面迈出了重要一步。
细菌变身天然色素工厂
研究团队采用受生物学启发的方法，能够在细菌内部生成这种色素，其产量水平比以往方法高出1000倍。这项创新可能为材料和化妆品领域的可持续新用途铺平道路，包括在光电子学、热涂层、染料和紫外线防护产品中的应用。
"我们开发了一种新技术，首次加快了我们在细菌中制造一种材料（本例中为黄素蛋白）的能力，"该研究的资深作者、在斯克里普斯海洋学研究所和加州大学圣地亚哥分校斯卡格斯药学和药学科学学院任职的海洋化学家布拉德利·摩尔说。"这种天然色素赋予了章鱼或墨鱼伪装能力——一种奇妙的超能力——而我们推进这种材料生产的成就只是冰山一角。"
这项研究于今日（11月3日）发表在《自然生物技术》上，并得到了美国国立卫生研究院、海军研究办公室、瑞士国家科学基金会和诺和诺德基金会的支持。
研究人员表示，这项成就不仅加深了我们对动物着色生物学和化学基础的理解，而且突出了一项强大的新生物技术。同样的技术可用于制造其他有价值的化合物，帮助各行业从石油基产品转向更可持续、受自然启发的材料。
前景广阔的色素
除了头足类动物，黄素蛋白也存在于节肢动物门内的昆虫中，造就了帝王蝶翅膀鲜艳的橙色和黄色，以及蜻蜓身体和苍蝇眼睛中看到的亮红色。
尽管黄素蛋白具有奇妙的色彩特性，但由于持续存在的供应难题，人们对它的了解甚少。从动物身上提取这种色素不可扩展也不高效，传统的实验室方法劳动强度大，依赖产量低的化学合成。
斯克里普斯海洋学研究所摩尔实验室的研究人员寻求改变这一现状，他们与加州大学圣地亚哥分校以及丹麦诺和诺德基金会生物可持续性中心的同事们合作设计了一种解决方案，一种他们称之为"生长耦合生物合成"的生长反馈循环。
他们在细菌中对章鱼色素（一种化学物质）进行生物工程改造的方式，代表了对典型生物技术方法的新颖突破。他们的方法将色素的生产与制造它的细菌的生存紧密联系在一起。
"我们需要一种全新的方法来解决这个问题，"该研究的主要作者利亚·布什说，她现在是斯坦福大学的教员，此前曾在斯克里普斯海洋学研究所摩尔实验室从事其研究工作的博士后研究员。"基本上，我们想出了一种方法，诱使细菌制造更多我们所需的材料。"
通常，当研究人员试图让微生物产生一种外来化合物时，会产生重大的代谢负担。如果没有显著的基因操作，微生物会抵制将其必要资源转用于生产不熟悉的东西。
通过将细胞的生存与其目标化合物的生产联系起来，研究团队能够诱使微生物制造黄素蛋白。为此，他们从一个基因工程改造的"生病"细胞开始，这个细胞只有在产生所需色素以及第二种名为甲酸的化学物质时才能存活。每生成一个色素分子，细胞也会产生一个甲酸分子。反过来，甲酸为细胞生长提供燃料，形成一个驱动色素生产的自我维持循环。
"我们使得通过这条途径制造目标化合物的活性对生命来说绝对必不可少。如果生物体不制造黄素蛋白，它就不会生长，"布什说。
为了促使细菌产生更多色素，研究人员求助于机器人和自动化技术。他们利用机器人系统引导微生物通过两轮高通量适应性实验室进化，这是一个旨在帮助细胞逐步提高性能的过程。这种先进方法是由研究合著者亚当·费斯特的实验室开发的，他是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院Shu Chien-Gene Lay生物工程系的教授，也是诺和诺德基金会生物可持续性中心的高级科学家。
研究人员还使用了来自费斯特实验室的专业生物信息学软件，来确定提高微生物生产力的基因变化。这些关键突变使工程细菌能够仅使用单一营养源高效生产色素。
"这个项目让我们得以一窥未来，生物学通过先进的自动化、数据整合和计算驱动设计，实现可持续生产有价值的化合物和材料，"费斯特说。"在这里，我们展示了如何通过汇集工程师、生物学家和化学家，使用一些最先进的菌株工程技术，在相对较短的时间内开发和优化一种新产品，从而加速生物制造领域的创新。"
布什说，传统方法"如果运气好"，每升大约能产生五毫克色素，而新方法每升产量在一到三克之间。
从规划阶段到实验室实际实验花费了数年的专注工作，但一旦计划付诸实施，结果几乎是立竿见影的。
"那是我在实验室里最美好的日子之一，"布什回忆起第一次成功的实验。"我设置了实验，让它过夜运行。第二天早上我进来，发现它起作用了，并且产生了大量色素，我非常激动。这样的时刻就是我从事科学的原因。"
下一步
摩尔预计，这种完全受自然启发且非侵入性的新生物技术方法，将改变生化产品的生产方式。
"我们确实颠覆了人们对如何工程化改造细胞的思考方式，"他说。"我们的创新技术方法引发了生产能力的巨大飞跃。这种新方法解决了供应难题，现在可能使这种生物材料得到更广泛的应用。"
虽然这种材料的一些应用还很遥远，但作者指出美国国防部和化妆品公司对此表现出浓厚兴趣。研究人员表示，合作者有兴趣探索该材料的天然伪装能力，而护肤品公司则有兴趣将其用于天然防晒霜。其他行业看到的潜在用途从可变色的家用涂料到环境传感器不等。
"展望未来，人类将需要重新思考我们如何制造材料，以支持地球上80亿人口的合成生活方式，"摩尔说。"多亏了联邦资助，我们解锁了一条有前景的新途径，用于设计对人类和地球更友好的受自然启发的材料。"
其他研究作者包括来自诺和诺德基金会生物可持续性中心的托比亚斯·阿尔特、玛丽亚·阿尔万-瓦加斯、丹尼尔·沃尔克、奥斯卡·普伊赫内和巴勃罗·尼克尔；来自加州大学圣地亚哥分校Shu Chien-Gene Lay生物工程系的埃莉娜·奥尔森；来自加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的拉拉·迪尔和玛丽亚·阿维拉；以及来自东北大学的金泰焕和莱拉·德拉维。