用工程化的Komagataella phaffii由甲醇生物合成焦黑素并对其进行表征

将一种多彩微生物变成微型工厂

像雀斑和头发颜色这样的深色素随处可见，但一些微生物能合成相关的色素，具有出人意料的功能：它们能吸收阳光、中和有害分子，甚至储存能量。本研究展示了科学家如何重新编程一种安全的酵母，将廉价、可再生的甲醇转化为大量棕黑色素——称为焦黑素（pyomelanin），并将其作为化妆品防护剂与下一代电池材料进行测试。该工作说明了生物学如何将简单、对气候友好的原料转变为有用的高附加值产品。

这种棕色素有什么特别之处？

焦黑素属于黑色素家族，是帮助保护皮肤和眼睛的色素这类广泛物质的一员。它在由氨基酸L‑酪氨酸衍生的小分子——均苯二甲酪酸（homogentisic acid）氧化并连接成长链深色聚合物时形成。除了颜色，焦黑素能够吸收紫外线（UV）、清除有害的活性氧物种，并与金属及电子相互作用。这些特性使其在化妆品、医药和能源技术中具有吸引力。然而，自然微生物通常仅产生微量，早期为增加产量的尝试依赖投喂昂贵的L‑酪氨酸，限制了工业应用。

改造酵母，使其“喝”甲醇并制造色素

研究人员选择了酵母Komagataella phaffii，这种酵母已广泛用于蛋白质生产并被认为对工业安全。该酵母能以甲醇为碳源，甲醇是一种可由可再生来源制造且不与粮食作物竞争的单碳醇。团队将从甲醇到焦黑素的总体代谢通路拆分为三大相连模块：基础碳代谢、向芳香族构件供给碳骨架的莽草酸途径（shikimate pathway），以及将L‑酪氨酸转化为均苯二甲酪酸并最终形成焦黑素的末端步骤。通过有条不紊地调节每个模块，他们将来自甲醇的碳更多地引导到色素合成，而非常规细胞组成部分。

以颜色为读出信号对酶进行微调

为了增加关键中间体均苯二甲酪酸的供给，团队聚焦于两个限速酶。首先，他们创建了一个基于颜色的筛选系统：由于均苯二甲酪酸在转化为焦黑素时会逐渐变暗，那些在一天内变得更棕的培养物很可能产生更多中间体。利用这一视觉线索，他们对控制流入芳香族通路的DAHP合成酶进行了进化，鉴定出能够将色素生成提升数倍的突变。其次，他们使用计算指导的“半理性”工程改造了下游酶羟基苯丙酮酸双加氧酶（hydroxyphenylpyruvate dioxygenase）。通过建模其三维结构并在实验室中测试挑选的突变体，他们获得了一个双突变体，较原始酶既更具活性也更耐热，从而进一步提升了产量。

平衡代谢通量并将其转化为固体色素

除了针对单个酶，科学家们还重塑了酵母内部的代谢流向。他们强化了生成关键前体的步骤，改善了细胞对甲醇毒性中间体的解毒与高效同化，并敲除会将宝贵碳分流至其他氨基酸或小醇的旁路。总体上，他们做出了超过15处基因改造，使均苯二甲酪酸水平约提高了66倍。最佳菌株Pyo29在5升发酵罐中，于严格控制的甘油补料随后甲醇喂养下培养。在将近一周的诱导过程中，培养液随着均苯二甲酪酸的氧化逐渐从澄清变为漆黑。当研究者随后用强碱溶液或酶漆酶（laccase）主动促使这一步氧化时，几乎将所有中间体转化为固体焦黑素，达到了约70.5克/升——远高于此前记录。

比较两种制备路线并测试实际应用

团队对用碱处理产生的焦黑素（Pyo‑NaOH）和用漆酶处理产生的焦黑素（Pyo‑Lac）进行了纯化和结构比较。通过红外光谱、元素分析、固态核磁共振和电子显微镜等方法，他们发现两种材料均为无序的芳香族聚合物，具有非常相似的化学特征，但在颗粒尺寸与堆积方式上存在细微差异。功能上，两种类型均表现出强抗氧化性，并在培养的人类皮肤类细胞中帮助细胞抵抗紫外线暴露，其中碱制得的色素在相同剂量下展现出大约两倍的自由基清除能力。当将这些色素在高温下碳化时，得到的硬碳材料适合作为钠离子电池的负极，且碱法衍生的版本再次表现更优，提供了与其他生物质基碳相当的稳定容量。

这项工作为何重要

对非专业读者而言，核心信息是：作者将一种普通的工业酵母改造成一个微型、高效的工厂，使其以简单的醇为“食料”并在工业相关水平上合成出复杂且多功能的色素。通过将通路拆分为模块、进化与重设计关键酶，并对最终产物进行详尽表征，他们不仅提供了一套工艺路径，也提供了未来焦黑素研究的参考标准。所得色素能帮助细胞抵御氧化应激和紫外线，并可转化为有用的储能材料。更广泛地说，该研究展示了如何通过智能基因工程将诸如甲醇之类的可再生原料与服务于健康、化妆和清洁能源应用的先进材料连接起来。

引用: Zhu, X., Lin, J., Liang, S. et al. Biosynthesis of pyomelanin from methanol with engineered Komagataella phaffii and its characterizations. Nat Commun 17, 4052 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70512-1

关键词: 焦黑素, 代谢工程, Komagataella phaffii, 甲醇生物制造, 钠离子电池材料