Un gruppo di ricerca del KAIST ha ingegnerizzato un batterio in grado di produrre un colorante rosso naturale, acido carminico, che è ampiamente usato per cibo e cosmetici. Il team di ricerca ha riportato la biosintesi completa dell'acido carminico dal glucosio in Escherichia coli ingegnerizzato. Le strategie saranno utili per la progettazione e la costruzione di percorsi biosintetici che coinvolgono enzimi sconosciuti e di conseguenza la produzione di diversi prodotti naturali industriali importanti per l'alimentazione, farmaceutico, e industrie cosmetiche.

L'acido carminico è un colorante rosso naturale ampiamente utilizzato per prodotti come latte alla fragola e rossetto. Però, l'acido carminico è stato prodotto dall'allevamento di cocciniglie, una cocciniglia che cresce solo nella regione del Perù e delle Isole Canarie, seguito da un complicato processo di purificazione in più fasi. Inoltre, l'acido carminico contiene spesso contaminanti proteici che causano allergie, così tante persone non sono disposte a consumare prodotti a base di coloranti guidati dagli insetti. A tale proposito, i produttori di tutto il mondo utilizzano coloranti rossi alternativi nonostante l'acido carminico sia uno dei coloranti rossi naturali più stabili.

Queste sfide hanno ispirato il gruppo di ricerca sull'ingegneria metabolica del KAIST ad affrontare questo problema. I suoi membri includono i ricercatori post-dottorato Dongsoo Yang e Woo Dae Jang, e illustre Professor Sang Yup Lee del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare. Questo studio intitolato "Produzione di acido carminico da parte di Escherichia coli ingegnerizzato metabolicamente" è stato pubblicato online nel Giornale della Società Chimica Americana ( JACS ) il 2 aprile.

Questa ricerca riporta per la prima volta lo sviluppo di un ceppo batterico in grado di produrre acido carminico dal glucosio attraverso l'ingegneria metabolica e l'ingegneria enzimatica assistita da simulazione al computer. Il gruppo di ricerca ha ottimizzato il macchinario della polichetide sintasi di tipo II per produrre in modo efficiente il precursore dell'acido carminico, acido flavokermesico.

Poiché gli enzimi responsabili delle restanti due reazioni non sono stati né scoperti né funzionali, l'analisi della reazione biochimica è stata eseguita per identificare gli enzimi in grado di convertire l'acido flavokermesico in acido carminico. Quindi, Sono stati eseguiti modelli di omologia e simulazioni di attracco per potenziare le attività dei due enzimi identificati. Il team ha potuto confermare che il ceppo ingegnerizzato finale potrebbe produrre acido carminico direttamente dal glucosio. La C-glucosiltransferasi sviluppata in questo studio è risultata essere generalmente applicabile ad altri prodotti naturali, come dimostrato dalla produzione di successo di un prodotto aggiuntivo, aloesina, che si trova nelle foglie di aloe.

"La parte più importante di questa ricerca è che enzimi sconosciuti per la produzione di prodotti naturali target sono stati identificati e migliorati mediante analisi di reazioni biochimiche e ingegneria enzimatica assistita da simulazione al computer, " afferma il Dr. Dongsoo Yang. Ha spiegato che lo sviluppo di una C-glucosiltransferasi generalmente applicabile è anche utile poiché la C-glucosilazione è una reazione relativamente inesplorata nei batteri tra cui Escherichia coli. Utilizzando la C-glucosiltransferasi sviluppata in questo studio, sia l'acido carminico che l'aloesina sono stati prodotti con successo dal glucosio.

"In questo studio è stato raggiunto per la prima volta un metodo sostenibile e privo di insetti per produrre acido carminico. Gli enzimi sconosciuti o inefficienti sono sempre stati un grosso problema nella biosintesi dei prodotti naturali, e qui suggeriamo una soluzione efficace per risolvere questo problema. Poiché il mantenimento di una buona salute nella società che invecchia sta diventando sempre più importante, ci aspettiamo che la tecnologia e le strategie sviluppate qui giocheranno un ruolo fondamentale nella produzione di altri preziosi prodotti naturali di importanza medica o nutrizionale, ", ha affermato il distinto professor Sang Yup Lee.