工程化微生物平台通过磷酸化黑色素生物合成实现重金属抗性

时间：2025年5月25日

来源：Nature Communications

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研究人员针对重金属污染治理难题，创新性地构建了能内源合成含磷黑色素（phosphomelanin）的工程化微生物平台。通过重组酪氨酸酶（TYR）表达和磷酸化三肽底物设计，显著提升微生物对重金属（HMs）的抗性，并整合PET降解酶实现金属化塑料废物的协同处理。该研究为生态修复提供了多功能生物解决方案，发表于《Nature Communications》。

论文解读

重金属污染和塑料废弃物是当前全球生态系统的两大威胁。传统物理化学修复方法存在二次污染风险，而天然微生物对高浓度重金属的耐受性有限。尽管黑色素（melanin）已知能通过酚羟基螯合金属离子，但其天然产量低且功能单一。更棘手的是，环境中重金属常与微塑料（MPs）形成复合污染物，现有生物技术难以同步处理。如何通过合成生物学手段赋予微生物多重抗污能力，成为环境生物技术领域的核心挑战。

中国科学院的研究团队通过基因工程改造微生物，使其内源合成一种新型含磷黑色素——磷酸化黑色素（phosphomelanin），并整合塑料降解功能，构建出"一菌双效"的工程化平台。研究采用酪氨酸酶（TYR）过表达、磷酸化三肽底物设计、固态核磁共振（ssNMR）结构解析、分子对接模拟等技术，结合PET水解酶（PETase）分泌系统改造，在枯草芽孢杆菌（B. subtilis）和大肠杆菌（E. coli）中实现重金属抗性与塑料降解的协同作用。

磷酸化黑色素在工程化微生物中的生产
研究以解淀粉芽孢杆菌（B. megaterium WH320）为底盘，通过重组质粒phis1525-bmTYR过表达内源酪氨酸酶（bmTYR）。当以磷酸化三肽pSer-Tyr-Gly（pSYG）为底物时，工程菌（GE-WH320）产生显著褐变反应，而野生型无此现象。扫描电镜（SEM）显示细菌表面形成异质聚集体，紫外吸收光谱和磷含量分析（ICP-OES）证实磷含量提升2.9倍，成功合成磷酸化黑色素。

磷酸化黑色素的结构解析
通过蘑菇酪氨酸酶（abTYR）体外催化实验，结合¹³C/³¹P核磁共振和MALDI-TOF-MS分析，揭示其聚合机制包含三阶段：酚氧化为醌（Stage I）、磷酸二酯键形成（Stage II）和链延伸（Stage III）。关键发现是磷以两种形式存在：保留的磷酸单酯（δ=-0.32 ppm）和新生成的桥接Ser与醌的磷酸二酯（δ=2.6 ppm）。

酶促动力学优势
电子顺磁共振（EPR）显示abTYR的双铜活性中心存在反铁磁耦合（g=2.05-2.50）。磷酸化底物pSYG比非磷酸化SYG催化效率更高，因其通过Ser83/Lys421/Thr457形成更多氢键（结合能-2.7 vs. -2.4 kcal mol^-1），且荧光副产物减少，表明磷引入优化了氧化聚合路径。

金属结合能力突破
磷酸化黑色素对Cr^II/Pb^II/Yb^II等重金属的沉淀效率显著提升，其中Cr^II结合量增加41.8%。¹H-³¹P异核相关谱（HETCOR）显示Pb^II与磷酸基团静电作用导致磷信号高场位移（δ=-0.43 ppm）。在模拟东亚污染水平的混合金属溶液中，磷酸化黑色素对Li^I的特异性吸附为传统黑色素不具备。

微生物重金属抗性验证
改造的大肠杆菌（GE-E. coli）表面zeta电位更负（-32.23 mV），表明磷酸化黑色素在膜周分布。在7种重金属胁迫下，工程菌存活率比野生型高3个数量级。值得注意的是，结合重金属的工程菌仍可正常增殖，电镜显示细胞形态完整。

PET降解与重金属抗性协同
在枯草芽孢杆菌中构建双功能系统（pP43 NMK-amyPETase-bmTYR），分泌的PETase在50℃将BHET水解为TPA和EG，28天降解PET薄膜（SEM显示表面粗糙度增加）。同步表达的bmTYR使工程菌在100 μg/mL Co^II/Mn^II存在下仍保持降解活性，X射线衍射（XRD）显示PET结晶度降低。

该研究开创性地将磷酸化黑色素生物合成与塑料降解功能整合，突破传统生物修复的单效局限。磷酸化黑色素的双磷化学形式（磷酸单酯/二酯）为金属结合提供新位点，其工程菌在重金属污染场地的实际应用潜力巨大。研究不仅为复合污染治理提供新范式，更拓展了合成生物学在环境材料领域的应用边界。