摘要：全球每年有超过 400 万吨重金属通过工业废水、采矿活动及农业径流进入环境，其中铅、铬、镉等有毒金属在生态系统中持久累积，可通过食物链威胁人体健康。传统治理手段如化学沉淀法虽能短期固定重金属，却面临处理成本高、易引发土壤板结等问题，而天然微生物虽具备金属吸附能

全球每年有超过 400 万吨重金属通过工业废水、采矿活动及农业径流进入环境，其中铅、铬、镉等有毒金属在生态系统中持久累积，可通过食物链威胁人体健康。传统治理手段如化学沉淀法虽能短期固定重金属，却面临处理成本高、易引发土壤板结等问题，而天然微生物虽具备金属吸附能力，但在高浓度毒性冲击下常因细胞损伤丧失活性。

近日，中国科学院过程工程研究所闫学海、邢蕊蕊团队近期在 Nature Communications 发表突破性成果，题为“Engineered microbial platform confers resistance against heavy metals via phosphomelanin biosynthesis”。他们通过基因工程改造微生物合成新型生物材料“磷酸黑色素”，成功构建出兼具重金属抗性与吸附功能的工程菌平台，为环境修复提供了全新的生物技术方案。

研究团队以天然耐重金属的革兰氏阳性菌 Bacillus megaterium WH320 为底盘，通过基因编辑技术使得黑色素生成酶酪氨酸酶（TYR）的表达量显著提升。为实现黑色素的功能升级，他们创新性地设计磷酸化三肽底物 pSer-Tyr-Gly（pSYG），利用 TYR 的氧化催化活性，在菌体内引发级联聚合反应。固态核磁共振与电感耦合等离子体光谱（ICP-OES）数据显示，改造后的工程菌磷含量较对照组提高 2.9 倍，证明成功合成含磷酸单酯与磷酸双酯的新型黑色素。

在基因工程设计中，团队首先构建了重组穿梭质粒 phis1525-bmTYR，该质粒包含来自 B. megaterium 的木糖操纵子启动子与阻遏蛋白基因，确保 TYR 的高效诱导表达。通过电穿孔技术将质粒导入 WH320 菌株后，工程菌（GE-WH320）的 TYR 蛋白表达量与野生菌（WH320）相比显著提升。当工程菌与 pSYG 共培养 12 小时后，培养基出现显著褐变，而野生菌组无此现象，表明 TYR 成功催化磷酸化底物生成黑色素类似物。

图 | 磷酸黑色素生物合成路径与结构表征

进一步的结构解析显示，pSYG 经 TYR 氧化后生成的磷酸黑色素（pSYGox）通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）在 1601 cm⁻¹ 处出现醌基特征峰，证实酚-醌氧化反应的发生。31P NMR 与 13C NMR 联合分析发现，磷酸基团以两种形式存在：一种保留自底物的磷酸单酯（化学位移 δ = -0.32 ppm），另一种为氧化聚合过程中新生成的磷酸双酯（δ = 2.6 ppm），后者通过 P-O-C 键桥接丝氨酸（Ser）与氧化酪氨酸（Tyr）残基（图 2d）。这种双重磷键结构赋予磷酸黑色素更强的金属结合位点密度，为后续功能验证奠定基础。

在重金属吸附实验中，磷酸黑色素展现出显著优势。当 pSYGox与含Cr³⁺、Pb²⁺、Yb³⁺ 等重金属的溶液混合时，磷基团通过静电作用与金属离子结合，形成不溶性沉淀。ICP-OES 定量显示，pSYGox 对 Cr³⁺ 的吸附量达 468 mg/g，较天然黑色素提高 41.8%，对 Pb²⁺ 的吸附效率提升 4 倍。固态核磁共振（2D 1H-31P HETCOR）进一步证实，Pb²⁺ 与磷酸双酯基团发生特异性配位，导致 31P 信号向高场位移。值得注意的是，工程菌在吸附重金属后仍维持正常增殖能力：将负载 Cr³⁺ 的菌体转移至新鲜培养基中，其 OD600 在 12 小时内恢复至初始值的 89%，SEM 显示细胞壁结构完整，无裂解迹象。

图 | 磷酸黑色素重金属结合效能验证

研究团队还将底盘扩展至革兰氏阴性菌（E. coli TOP10）与极端环境菌株（B. subtilis HT50）。通过构建 pUC57-bmTYR 与 pP43NMK-bmTYR 质粒，工程化大肠杆菌与枯草芽孢杆菌的磷含量分别提升 2.7 倍 与 1.7 倍。在含 500 mg/L Cr³⁺ 的 LB 培养基中，改造菌株的存活率（CFU 计数）较野生型提高 8.6 倍，且表面 zeta 电位降至-32.23 mV，表明磷酸黑色素通过负电荷增强金属吸附。

为应对复合污染场景，研究团队在工程菌中整合了 PET 降解酶（PETase）表达模块。改造后的枯草芽孢杆菌可同时分泌 PETase 与合成磷酸黑色素，在含 500 mg/L 钴、锰离子的环境中，28 天内将 PET 薄膜降解为肉眼可见的碎片，同时固定 92.3% 的重金属离子。该菌株在 50℃ 高温下仍保持活性，展现出工业化应用的潜力。

此项研究不仅为重金属及塑料复合污染治理提供了高效生物工具，更开辟了合成生物学“功能模块叠加”的新范式。通过理性设计酶—底物系统，微生物可被定制为“活体工厂”，生产传统化学法难以合成的功能材料。未来，该团队计划探索磷酸黑色素在生物电极、辐射防护等领域的应用，进一步拓展合成生物的边界。

参考链接：

1.Ren, X., Zhao, L., Shen, J. et al. Engineered microbial platform confers resistance against heavy metals via phosphomelanin biosynthesis. Nat Commun 16, 4836 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60117-5

免责声明：本文旨在传递合成生物学最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。

来源：生辉SciPhi