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華中農(nóng)業(yè)大學(xué)陳福生教授團隊在中國科學(xué)院重點學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報》上發(fā)表了題為“古老而充滿魅力的紅曲菌”的綜述論文。

摘要：

紅曲菌(Monascus spp.)又稱紅曲霉, 是我國傳統(tǒng)特色的藥食同源發(fā)酵產(chǎn)品——紅曲的生產(chǎn)菌種。紅曲霉菌種在中國食品和制藥行業(yè)中作為發(fā)酵菌種而廣為人知。 紅曲菌可產(chǎn)生天然食品著色劑紅曲色素(Monascus pigments, MPs)、降血脂成分莫納可林K(monacolin K, MK)以及豐富的淀粉酶和酯化酶等酶系, 紅曲菌的發(fā)酵產(chǎn)品紅曲在我國有近2000年的應(yīng)用歷史. 但是某些紅曲菌株也可產(chǎn)生真菌毒素桔霉素(citrinin,CIT), 污染紅曲產(chǎn)品, 導(dǎo)致食品安全問題. 研究人員通過不懈努力, 目前已經(jīng)解決了紅曲產(chǎn)品中CIT污染的問題, 關(guān)于MPs、MK和CIT等紅曲菌主要次級代謝產(chǎn)物生物合成途徑及其調(diào)控機理的研究也取得了重大突破。

本綜述論文中系統(tǒng)的梳理了近30年來所取得的關(guān)于紅曲菌獨特繁殖調(diào)控與光磁感應(yīng)機理, 以及MPs、MK和CIT等主要次級代謝產(chǎn)物的生物合成途徑及其調(diào)控機制的研究進展, 并展望了紅曲菌的未來研究方向, 最后闡述了紅曲行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)及其應(yīng)對策略。

1.紅曲菌獨特的繁野調(diào)控機制作

目前,已知參與構(gòu)巢曲霉等絲狀真菌分生孢子產(chǎn)生的調(diào)控基因fluG、sfgA、flbB、flbC、flbD、flbE、velB、velC、vosA、veA、nsdD、stuA、medA、brlA、abaA和wetA等. 其中, 由BrlA、AbaA和WetA組成的所謂分生孢子“中心調(diào)控途徑”在調(diào)控曲霉屬分生孢子的形成過程中起著至關(guān)重要的作用。

圖 1 紅曲菌與構(gòu)巢曲霉分生孢子的產(chǎn)生結(jié)構(gòu)(a)及其中心調(diào)控途徑(b)

2.紅曲菌的光磁感知機理

藍(lán)光和磁場對紅色紅曲菌M7的影響存在協(xié)同作用. 有研究表明, 藍(lán)光受體與磁感應(yīng)受體蛋白(MagR)之間可形成相互結(jié)合的復(fù)合體，紅曲菌中可能存在的新藍(lán)光受體蛋白。目前有關(guān)光照和磁場對生物的影響機理, 仍存在很大爭議.我們期望通過對紅曲菌中新藍(lán)光受體的挖掘, 以及對光照和磁場耦合影響機理的探究, 可為平息相關(guān)爭議作出貢獻(xiàn).

3.紅曲菌分子生物學(xué)的研究進展

本文章對 紅曲菌的基因編輯方法/紅曲菌次級代謝產(chǎn)物生物合成途徑的研究進展及紅曲菌中G-蛋白信號傳導(dǎo)途徑的研究進行了闡述。

采用分子生物學(xué)技術(shù)結(jié)合酶學(xué)、合成生物學(xué)與現(xiàn)代儀器分析方法, 系統(tǒng)解析了紅色紅曲菌M7的MPs基因簇中全部16個基因(mrpigA-mrpigP)的功能, 闡明了MPs的生物合成途徑，如下圖所示。

圖2.紅曲色素(Monascus pigments, MPs)的合成基因簇及其生物合成途徑

CIT生物合成機制的研究始于20世紀(jì)50年代, 早期主要采用同位素示蹤等方法研究CIT的生物合成途徑, 由于合成CIT的具體酶催化過程不清楚, 所以相關(guān)研究結(jié)果受到質(zhì)疑. 為闡明CIT的準(zhǔn)確生物合成過程, 我們以高產(chǎn)CIT和MPs的紅色紅曲菌M7為研究對象, 基于其基因組信息, 發(fā)現(xiàn)了長為7.9 kb的CIT合成基因簇, 然后通過基因敲除、異源表達(dá)與體外酶反應(yīng)等, 成功解析了CIT的生物合成途徑, 并修正了過去關(guān)于CIT合成途徑中存在的一些錯誤。

圖3：桔霉素的合成途徑

4. 紅曲菌發(fā)酵產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀與展望

在我國，紅曲菌及其發(fā)酵產(chǎn)品紅曲一直被廣為用于食品和醫(yī)藥等行業(yè)，相關(guān)產(chǎn)品也已出口到美國、英國、法國、日本、韓國等國家. 按產(chǎn)品的主要用途劃分，紅曲可分為功能紅曲、色素紅曲和釀造紅曲。所稱功能紅曲,主要是指MK高含量(>0.4%)的紅曲,目標(biāo)之前已開發(fā)成藥品和多種健康食品; 色素紅曲是指MPs含有大量的固態(tài)發(fā)酵紅曲米,以及液體狀態(tài)發(fā)發(fā)酵產(chǎn)物的MPs提取物——紅曲紅和紅曲黃,它主要用做食品; 釀造紅曲是指富含各種水解酒/酸系的紅曲,它們作為發(fā)酒劑或釀酒劑主要用于黃酒、食醋和蒸酒等釀造工. 盡管有關(guān)紅色曲目產(chǎn)品的研究和應(yīng)用在過去幾十年中逐步顯現(xiàn)著，但仍有很大的發(fā)展空間。

5.結(jié)論

本文系統(tǒng)梳理了紅曲菌獨特繁殖調(diào)控機制與光磁響應(yīng)機理、SMs合成途徑、G蛋白信號傳導(dǎo)途徑以及紅曲菌發(fā)酵產(chǎn)品在食品和醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用等方面的重要研究進展和關(guān)鍵科學(xué)問題。同時，還提出了紅曲菌發(fā)酵產(chǎn)品開發(fā)的未來方向和機遇。因此通過系統(tǒng)和深入的研究, 有望豐富對紅曲菌等絲狀真菌甚至生物界的普遍性認(rèn)識, 并將其研究發(fā)展成為具有中國特色的“模式微生物”(modelmicroorganism).