这篇文章题为“Engineering a complex, multiple enzyme-mediated synthesis of natural plant pigments in the silkworm, Bombyx mori”，由Kai Chen、Ye Yu、Zhongjie Zhang、Bo Hu、Xiaojing Liu、Anthony A. James和Anjiang Tan撰写，发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》2023年第120卷第33期。文章主要讨论了在家蚕体内合成植物色素——贝塔灵的研究工作，研究由江苏科技大学和加州大学尔湾分校的科研人员共同完成。
植物色素不仅为植物提供了丰富多彩的色泽，还在科学研究和日常应用中具有重要价值。贝塔灵是一种仅见于闭鞘花目（Caryophyllales）植物中的水溶性色素，具有潜在的健康促进属性。然而，将这种复杂的植物色素生物合成路径应用于动物体内，一直是一个挑战。研究团队旨在通过转基因技术，在家蚕（Bombyx mori）体内合成贝塔灵，为植物源化合物的异质生物合成提供一种新的方法。
研究小组利用三个贝塔灵合成相关基因（CYP76AD1、DOPA 4,5-双加氧化酶和贝塔尼定5-O-葡萄糖基转移酶），通过多酶介导的方式在家蚕体内合成贝塔灵。为了实现这一复杂生物合成路径的建立，研究人员开发了两种转基因载体（IE1-TG和FH-TG），分别以泛化的IE1启动子和丝腺特异的重链丝蛋白启动子为控制，成功在家蚕体内进行表达。通过PiggyBac介导的胚系转化技术，将转基因导入家蚕体内实现性状稳定遗传。
研究过程中，科研团队从480个家蚕卵开始，通过显微注射和酸处理终止滞育，成功获得了带有EGFP或DsRed2标记基因的家蚕后代。转基因家蚕各阶段展现出正常的生长发育和繁殖能力。
科研小组通过液相色谱-质谱（LC-MS）分析确认了转基因家蚕体内合成贝塔灵的存在。在含IE1启动子的转基因家蚕中，贝塔灵在所有采样组织中都有表达且主要积累于血淋巴中，显示出显著的红色特征；而在含FH启动子的转基因家蚕中，贝塔灵主要在丝腺中合成并分泌到蚕茧中。实验数据表明，转基因家蚕茧中的贝塔灵产量达到每毫克茧壳14.4微克，且这些色素可以在室温水中轻松提取而不影响茧丝的机械性质。
该研究验证了在动物体内构建复杂多酶介导的植物色素生物合成路径的可行性。通过转基因家蚕这种“生物反应器”模式，能够大规模生产有价值的植物化合物。不仅如此，这一工作还为工程化改造其他有价值化合物生产途径提供了基础。同时研究表明，贝塔灵在纺丝过程中能被分泌到蚕丝中，尽管其水溶性使其在煮茧时溶解，但其可作为潜在染色前的有色蚕丝源。此外，贝塔灵具有抗氧化、降脂、抗炎和抗糖尿病等健康益处。
这项研究首次在动物中实现了贝塔灵的合成，不仅为自然化合物的合成提供了新的思路，还展示了异源生物合成路径在动物中的实现可能。通过转基因家蚕实现高效能的贝塔灵生产，进一步推动了其作为显性色标和用于昆虫遗传转化的应用潜力。
这一研究的成功表明，贝塔灵不仅可作为食品和化妆品等领域的重要着色剂，还可能在生物标记和生物传感器中开辟新的应用空间，从而在科学和工业中创造更多的价值。未来的研究可能会进一步优化合成效率、探索贝塔灵的其他潜在应用，以及研究如何通过基因替换提升贝塔灵的产量。