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Synthetic Biology

合成生物学揭密蓝色玫瑰

蓝靛素赋予花非天然色调

by Mark Peplow,C&EN自由撰稿人
October 3, 2018 | APPEARED IN VOLUME 96, ISSUE 40

 

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Credit: ACS Synth. Biol.
玫瑰是。。。蓝色的?这株基因工程培育的白玫瑰能产生蓝靛素,花瓣上呈现出蓝色调。

对于David Lynch的《双峰》电视连续剧中的FBI探员来说,“蓝玫瑰”案件离奇、涉及超自然现象,简直怪异透顶。该剧中的蓝玫瑰是一个合适的象征:天然生长的蓝色玫瑰并不存在,数世纪的玫瑰培育也没有成功创造出无可争议的蓝色玫瑰。

现在,科学家们创造出了据他们所称的首个生物工程蓝玫瑰(ACS Synth. Biol. 2018, DOI: 10.1021/acssynbio.8b00187)。参与蓝玫瑰创造的天津大学遗传学家和生物化学家张雁说: “蓝玫瑰代表无法实现的希望。”

花的颜色取决于各种因素的复杂组合,但一种叫花青素的色素通常起着关键作用。例如,天竺葵素呈黄色、矢车菊素呈红色、而飞燕草素呈蓝色。这些化合物均由相同的前体通过酶促反应生成,唯一不同的就是羟基的数量。关键是,玫瑰不具有制造蓝色飞燕草素所必需的羟化酶。

早在2007年,日本三得利公司和Florigene公司推出了一种基因工程培育的玫瑰,具有生成飞燕草素(Plant Cell Physiol. 2007, DOI: 10.1093/pcp/pcm131)的生物合成通道,。现在三得利以Applause为名销售这种蓝玫瑰。它几乎是最蓝的玫瑰,但是——虽然不想挑起一场玫瑰之战—— 很多人指出Applause其实是淡紫色的。

这可能是因为花的颜色受辅色素或细胞的酸性环境影响而改变,任一因素都可导致飞燕草素变红。“植物细胞的环境很难使花青素得到正确的释放,”John Innes中心的植物科学家Sarah E. O’Connor表示(她没有参与这项研究)。

因此,张雁的团队着眼于一种不同的色素,使用合成生物学技术帮助玫瑰产生靛蓝素,一种具有抗氧化和抗菌特性的富蓝色细菌色素。

研究人员制作了一个循环DNA,称为质粒,其中包括两个参与靛蓝素合成的细菌基因。这些基因产生的两种酶一起将玫瑰花瓣中丰富的氨基酸——L-谷氨酰胺转化为蓝色色素。

张雁的团队将上述质粒添加到被广泛用于将基因转入到植物的农杆菌中。然后他们将农杆菌注射到白玫瑰的花瓣中,同时也一起注射了一种诱导基因转移的化合物——乙酰丁香酮。12小时后,花瓣上出现深蓝色块,经光谱确认是由靛蓝素引起的。

O’Connor认为,靛蓝素可能不像飞燕草素那样对玫瑰花瓣中的pH和辅色素敏感,这可能能够说明其为什么能够呈现更真实的蓝色。她说,张雁和他的同事们“彻底规避了这些环境因素”。

尽管实验证明生成靛蓝素的基因设备确实可以把花瓣变蓝,但这些基因并没有稳定地整合到植物的基因组中,因此不可能从这株花繁殖出更多的蓝玫瑰。而且蓝色存在时间之短令人沮丧:蓝色调在一天内就消失了,因为带有基因的农杆菌导致了花瓣凋零。“这不能用于蓝玫瑰的商业化生产,但它是一种概念验证的非常实用的方法,”O’Connor说。

张雁的团队现在计划使用其他基因技术来永久修改植物基因组,无需通过注射农杆菌来生成靛蓝素。他说:“那将改变整株花的颜色,并使其成为可遗传的特质”。他指出,如果成功,他们的蓝色玫瑰将可能打入价值50亿美元的全球玫瑰市场。

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