華中農業大學陳福生教授團隊在中國科學院重點學術期刊《科學通報》上發表了題為“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, 是我國傳統特色的藥食同源發酵產品——紅曲的生產菌種。紅曲霉菌種在中國食品和制藥行業中作為發酵菌種而廣為人知。 紅曲菌可產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, 紅曲菌的發酵產品紅曲在我國有近2000年的應用歷史. 但是某些紅曲菌株也可產生真菌毒素桔霉素(citrinin,CIT), 污染紅曲產品, 導致食品安全問題. 研究人員通過不懈努力, 目前已經解決了紅曲產品中CIT污染的問題, 關于MPs、MK和CIT等紅曲菌主要次級代謝產物生物合成途徑及其調控機理的研究也取得了重大突破。

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

1.紅曲菌獨特的繁野調控機制作

目前,已知參與構巢曲霉等絲狀真菌分生孢子產生的調控基因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“中心調控途徑”在調控曲霉屬分生孢子的形成過程中起著至關重要的作用。

圖 1 紅曲菌與構巢曲霉分生孢子的產生結構(a)及其中心調控途徑(b)

2.紅曲菌的光磁感知機理

藍光和磁場對紅色紅曲菌M7的影響存在協同作用. 有研究表明, 藍光受體與磁感應受體蛋白(MagR)之間可形成相互結合的復合體，紅曲菌中可能存在的新藍光受體蛋白。目前有關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, 可為平息相關爭議作出貢獻.

3.紅曲菌分子生物學的研究進展

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

采用分子生物學技術結合酶學、合成生物學與現代儀器分析方法, 系統解析了紅色紅曲菌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, 所以相關研究結果受到質疑. 為闡明CIT的準確生物合成過程, 我們以高產CIT和MPs的紅色紅曲菌M7為研究對象, 基于其基因組信息, 發現了長為7.9 kb的CIT合成基因簇, 然后通過基因敲除、異源表達與體外酶反應等, 成功解析了CIT的生物合成途徑, 并修正了過去關于CIT合成途徑中存在的一些錯誤。

圖3：桔霉素的合成途徑

4. 紅曲菌發酵產品的研究現狀與展望

在我國，紅曲菌及其發酵產品紅曲一直被廣為用于食品和醫藥等行業，相關產品也已出口到美國、英國、法國、日本、韓國等國家. 按產品的主要用途劃分，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,目標之前已開發成藥品和多種健康食品; 色素紅曲是指MPs含有大量的固態發酵紅曲米,以及液體狀態發發酵產物的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. 盡管有關紅色曲目產品的研究和應用在過去幾十年中逐步顯現著，但仍有很大的發展空間。

5.結論

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