Un groupe de recherche du KAIST a conçu une bactérie capable de produire un colorant rouge naturel, acide carminique, qui est largement utilisé pour l'alimentation et les cosmétiques. L'équipe de recherche a signalé la biosynthèse complète de l'acide carminique à partir du glucose dans Escherichia coli modifié. Les stratégies seront utiles pour la conception et la construction de voies de biosynthèse impliquant des enzymes inconnues et, par conséquent, la production de divers produits naturels d'importance industrielle pour l'alimentation, pharmaceutique, et les industries cosmétiques.

L'acide carminique est un colorant rouge naturel largement utilisé pour des produits tels que le lait de fraise et le rouge à lèvres. Cependant, l'acide carminique a été produit par l'élevage de cochenilles, une cochenille qui ne pousse que dans la région du Pérou et des îles Canaries, suivi d'un processus de purification complexe en plusieurs étapes. De plus, l'acide carminique contient souvent des contaminants protéiques qui provoquent des allergies, tant de gens ne sont pas disposés à consommer des produits à base de colorants d'insectes. Sur ce compte, les fabricants du monde entier utilisent des colorants rouges alternatifs malgré le fait que l'acide carminique est l'un des colorants rouges naturels les plus stables.

Ces défis ont inspiré le groupe de recherche en ingénierie métabolique du KAIST à s'attaquer à ce problème. Ses membres comprennent les chercheurs postdoctoraux Dongsoo Yang et Woo Dae Jang, et le professeur distingué Sang Yup Lee du Département de génie chimique et biomoléculaire. Cette étude intitulée « Production d'acide carminique par Escherichia coli métaboliquement modifiée » a été publiée en ligne dans le Journal de l'American Chemical Society ( JACS ) le 2 avril.

Cette recherche rapporte pour la première fois le développement d'une souche bactérienne capable de produire de l'acide carminique à partir du glucose via l'ingénierie métabolique et l'ingénierie enzymatique assistée par simulation informatique. Le groupe de recherche a optimisé la machinerie de polykétide synthase de type II pour produire efficacement le précurseur de l'acide carminique, acide flavokermesique.

Étant donné que les enzymes responsables des deux réactions restantes n'ont été ni découvertes ni fonctionnelles, une analyse des réactions biochimiques a été réalisée pour identifier les enzymes capables de convertir l'acide flavokermesique en acide carminique. Puis, une modélisation d'homologie et des simulations d'amarrage ont été effectuées pour améliorer les activités des deux enzymes identifiées. L'équipe a pu confirmer que la souche modifiée finale pourrait produire de l'acide carminique directement à partir du glucose. La C-glucosyltransférase développée dans cette étude s'est avérée généralement applicable à d'autres produits naturels, comme en témoigne la production réussie d'un produit supplémentaire, aloésine, qui se trouve dans les feuilles d'aloès.

"La partie la plus importante de cette recherche est que des enzymes inconnues pour la production de produits naturels cibles ont été identifiées et améliorées par des analyses de réactions biochimiques et une ingénierie enzymatique assistée par simulation informatique, " dit le Dr Dongsoo Yang. Il a expliqué que le développement d'une C-glucosyltransférase généralement applicable est également utile car la C-glucosylation est une réaction relativement inexplorée chez les bactéries, y compris Escherichia coli. En utilisant la C-glucosyltransférase développée dans cette étude, l'acide carminique et l'aloésine ont été produits avec succès à partir du glucose.

"Une méthode durable et sans insectes de production d'acide carminique a été réalisée pour la première fois dans cette étude. Des enzymes inconnues ou inefficaces ont toujours été un problème majeur dans la biosynthèse des produits naturels, et ici, nous proposons une solution efficace pour résoudre ce problème. Étant donné que le maintien d'une bonne santé dans une société vieillissante devient de plus en plus important, nous nous attendons à ce que la technologie et les stratégies développées ici jouent un rôle central dans la production d'autres produits naturels précieux d'importance médicale ou nutritionnelle, " a déclaré le professeur distingué Sang Yup Lee.