加州大學聖地亞哥分校的科學家們距離了解大自然最神奇的能力之一：偽裝藝術又近了一步。
章魚、魷魚、魷魚和其他頭足類動物。是偽裝專家您可以立即改變膚色以融入周圍環境。這種非凡的變化是由一種稱為黃素的天然色素引起的。對改變膚色起著重要作用
多年來，研究人員甚至國防組織一直對黃瘤素的光響應特性著迷。但到目前為止，在實驗室中復制和研究這種顏料一直極具挑戰性。
加州大學聖地亞哥分校斯克里普斯海洋學研究所取得的一項新進展，科學家們成功地創造了一種大規模生產黃瘤素的方法。這是破譯動物如何使用令人驚嘆的偽裝的重要一步
細菌成為天然色素工廠
通過使用受生物學啟發的方法，研究小組能夠在細菌內產生色素。這項創新的生產水平比以前的方法高出 1,000 倍，可以為新型可持續材料和化妝品（包括光電子學應用）鋪平道路。熱塗料、染料和紫外線防護產品
該研究的資深作者、斯克里普斯海洋學和加州大學聖地亞哥分校斯卡格斯藥學與製藥科學學院的海洋化學家布拉德利·摩爾（Bradley Moore）說：“我們開發了一種新技術，擴大了我們在細菌中首次製造材料（在本例中為黃瘤素）的能力。” “這種天然色素賦予章魚或墨魚偽裝能力。這是一種令人驚嘆的超能力，而我們在這種材料的先進製造方面的成功只是冰山一角。”
今天（11 月 3 日）發表於 天然生物技術這項研究得到了美國國立衛生研究院的支持。海軍研究辦公室瑞士國家科學基金會和諾和諾德基金會
研究人員表示，這一成果不僅加深了我們對動物體色的生物和化學基礎的理解，也加深了我們對動物體色的生物和化學基礎的理解。但它也凸顯了強大的新生物技術。同樣的技術可用於製造其他有價值的化合物，幫助該行業從石油基產品過渡到更可持續、受自然啟發的材料。
未來的顏料
除了頭足類動物外，節肢動物中也發現了黃瘤素。這使得帝王蝶翅膀呈現出明亮的橙色和黃色。以及蜻蜓和它們飛行的眼睛中看到的鮮紅色。
儘管黃嘌呤具有優異的顏色特性，但由於持續的採購挑戰，它仍然沒有得到很好的了解。從動物身上獲取色素無法規模化或高效。傳統的實驗室方法是勞動密集型的。它基於化學合成，但產率較低。
斯克里普斯海洋學摩爾實驗室的研究人員正在試圖改變這一現狀。他們與加州大學聖地亞哥分校和丹麥諾和諾德生物可持續性基金會中心的同事合作設計了該解決方案。他們稱之為成長反饋循環。 “生物合成與生長相結合”
他們對魷魚色素（細菌中的一種化學物質）進行生物工程改造的方式與傳統的生物技術方法不同。他們的方法將色素的產生與產生色素的細菌的生存緊密聯繫起來。
“我們需要一種全新的方法來解決這個問題，”該研究的主要作者 Leah Bouchin 說。她目前是斯坦福大學的教授，也是斯克里普斯海洋學摩爾實驗室的博士後研究員，她基本上就是在那里工作的。我們找到了一種方法來誘騙細菌製造更多我們需要的材料。 ”
通常，當研究人員試圖讓微生物產生外來化合物時，它會造成顯著的代謝負擔。如果沒有重大的基因改造，微生物將抵制轉換必要的資源來生產它們不習慣的東西。
通過將細胞存活與目標化合物的產生聯繫起來。該團隊能夠誘騙微生物產生黃瘤素。為此，他們從轉基因“患病”細胞開始。細胞只有在產生所需的色素和另一種稱為甲酸的化學物質的情況下才能生存。對於每產生一個色素分子，細胞也會產生一個甲酸分子。甲酸反過來為細胞生長提供燃料。這創造了一個驅動顏料生產的自我維持循環。
“我們創造它是為了通過這種方法提供活性。這正在創造有趣的化合物。它對於生命來說是絕對必要的。如果生物不產生黃素，它就不會生長，”布辛說。
推動細菌產生更多色素。因此，研究人員正在轉向機器人和自動化。他們使用機器人系統引導微生物進行兩輪高通量適應性實驗室進化。這是一個旨在幫助細胞逐漸再生的過程。提高效率 這種先進方法是由研究合著者 Adam Feist 實驗室開發的。加州大學聖地亞哥分校雅各布斯工程學院生物工程系 Shu Chien-Gene Lay 教授、諾和諾德基金會生物可持續性中心高級科學家
研究人員還使用 Feist 實驗室的專門生物信息學軟件來識別提高微生物生產力的基因變化。這些關鍵突變使工程細菌能夠利用單一營養源有效生產色素。
“這個項目有助於設想一個未來，通過先進的自動化、數據集成和計算機驅動設計，生物學能夠可持續生產有價值的化合物和材料，”費斯特說。 “在這裡，我們展示瞭如何加速生物製造領域的創新。通過將工程師、生物學家和化學家聚集在一起，它使用最先進的應力工程技術在短時間內開發和優化新產品。”
傳統方法每升產生約 5 毫克色素。 “如果你幸運的話，”Buchin 說，新方法的產量為每升 1 至 3 克。
從規劃階段到實驗室實際測試的工作花費了數年時間。但當計劃開始後，結果幾乎是立竿見影的。
“這是我在實驗室裡最美好的時光之一，”布什回憶起第一次成功的實驗。 “我會進行一個實驗，然後將其放置過夜。第二天早上我到達時，發現它已經成功了。 和 它會產生大量色素。我非常興奮，這樣的時刻就是我從事科學研究的原因。 ”
後續步驟
摩爾預測，這種新的生物技術方法是受到大自然的啟發，並且是非侵入性的。它將改變生物化學的產生方式。
“我們顛覆了人們對如何製造細胞的思考方式，”他說。 “我們的創新技術方法引發了製造能力的飛躍。這種新方法解決了採購挑戰。現在這種生物材料可以得到更廣泛的應用。”
儘管這種材料的一些應用還很遙遠，但作者註意到美國國防部和化妝品公司的濃厚興趣。研究人員表示，合作者有興趣探索這種材料的天然偽裝能力。與此同時，護膚品公司有興趣將其用於天然防曬霜中。其他行業它看到了可能的應用範圍，從變色房屋油漆到環境傳感器。
“展望未來，人類需要重新思考如何製造材料來支持地球上 80 億人的合成生活方式，”摩爾說。 “在聯邦資助下，我們開啟了一種新的方法來設計受自然啟發的材料，對人類和地球更有利。”
其他研究作者包括來自諾和諾德基金會生物可持續性中心的 Tobias Alter、María Alván-Vargas、Daniel Volke、Òscar Puiggené 和 Pablo Nikel； Elina Olson，來自加州大學聖地亞哥分校 Shu Chien-Gene Lay 生物工程系；來自加州大學聖地亞哥分校斯克里普斯海洋學研究所的 Lara Dürr 和 Mariah Avila；以及來自東北大學的 Taehwan Kim 和 Leila Deravi。
