吲哚的生物法生产及工业应用——系统微生物学与生物制造综述推荐

Indoles and the advances in their biotechnological production for industrial applications

吲哚的生物法生产及工业应用

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https://doi.org/10.1007/s43393-023-00223-x

    吲哚作为一种重要的有机化合物，不仅在自然界中扮演着关键的信号传递角色，同时也是工业和医药研究中的重要物质。作者在本综述中深入探讨了吲哚这一由细菌和植物产生的信号分子，在微生物间以及特别是在人类肠道菌群中的信息传递作用。作者不仅着重讨论了吲哚在自然界中的作用，还强调了其在食品工业或香水制造中提供风味和香气中特殊价值。此外，通过衍生化过程，吲哚可以转化为多种具有治疗潜力的卤代和含氧化合物，为相关疾病的药物研究提供了潜在的研究对象。尽管传统上吲哚是从煤焦油中提取得到，但最新研究已经开发出了从葡萄糖或色氨酸通过发酵生产吲哚及其衍生物的生物催化方法。作者全面讨论了通过发酵途径从基本原料生产吲哚以及利用微生物细胞工厂生产其卤代和含氧衍生物的最新科研进展，这些进展不仅加深了我们对吲哚在生态系统中交流机制的理解，也为食品、香料及医药行业开辟了新的生物合成路径，展现了生物工程技术在现代科学和工业应用中的巨大潜力。

图一 化学合成吲哚路线及其衍生物示例。

    吲哚及其衍生物在自然界中扮演着重要的信号分子角色，尤其在细菌之间的群体感应（QS）机制中起着关键作用。已经报道有超过85种革兰氏阳性或阴性细菌可以通过产生吲哚来调控群体内的信号传递，进而影响细胞的生理过程。这种信号传递不仅限于同种细菌间，还包括不同种类细菌甚至是跨界的信号交流，如细菌与它们的真核宿主之间的交流。吲哚的生产和感知机制，使其在调节细菌的生存策略、适应环境变化以及与宿主的互动中发挥了多样的生物学功能。

    此外，吲哚在细菌的生物膜形成、细胞周期调节及对抗生素的持久性反应中也展示了其复杂的调节作用。例如，大肠杆菌中吲哚的存在可以激活特定基因的转录，调节氨基酸的降解途径，从而在营养贫乏的环境中为细胞的能量生产做准备。同时，吲哚通过影响FtsZ蛋白的定位和线粒体的氧化磷酸化过程，有效地抑制细胞分裂，显示出其在细胞周期调控中的作用。对于细菌生物膜的形成，吲哚能够通过调节特定的转录调节因子来减少生物膜的形成，影响细菌对抗生素的抵抗性。这些发现不仅揭示了吲哚在微生物世界中的多功能性，也为开发新的抗微生物策略提供了潜在的靶点。

图二 吲哚对各类细菌的生理影响

    人类胃肠道是高密度和多样性细菌的栖息地，其中大多数生活在结肠中，吲哚及其衍生物作为微生物产生的信号分子，在此环境下也影响着人体的消化和免疫系统。通过食物摄取的L-色氨酸除了用于蛋白质生物合成外，还可以通过宿主细胞的犬尿氨酸和5-羟色胺途径或肠道微生物的吲哚途径进行代谢。吲哚在控制肠道屏障效能、调节早期免疫响应以及触发诱导性系统抗性方面发挥着关键作用。例如，在非甾体抗炎药（NSAIDs）所引起的肠道病变的鼠模型中，吲哚的共同给药能够通过调节由先天免疫反应介导的炎症和改变微生物群落的组成来减轻NSAIDs引起的多种有害效应，表明其具有潜在的免疫调节作用。此外，吲哚衍生物，如吲哚-3-丙酸和吲哚-3-乙酸，也展现出对于增强结肠免疫屏障、调节炎症反应以及促进肠道上皮再生的积极效果，通过激活相应的转录因子和分泌抗炎细胞因子，如IL-10和IL-22，来维护肠道免疫稳态。这些研究结果不仅揭示了吲哚及其衍生物在调控肠道功能和免疫反应中的重要作用，也为开发新的治疗肠道炎症疾病的策略提供了潜在的生物学基础。

表一 色氨酸代谢物的代谢途径及其功能

    吲哚及其衍生物在生物技术应用领域展现出巨大潜力，其多样的生物效应不仅开启了新的研究视野，也提供了解决顽固细菌感染等问题的新思路。例如，基于吲哚开发的抗病原体药物开发显示出广阔的前景，因为吲哚在细菌的群体感应系统中发挥重要作用，这一系统对细菌的生存、适应和致病性至关重要。吲哚能够改变多种肠道病原体的致病性和侵袭性，如减弱肠出血性大肠杆菌O157:H7的黏附能力以及抑制鼠伤寒沙门氏菌侵袭相关基因的表达，进而弱化其侵袭性。此外，对于食品加工线上的革兰氏阳性病原菌李斯特菌而言，吲哚及富含吲哚的培养基能显著降低其毒力相关和调控基因的转录水平，有效减少生物膜形成及相关毒力表现，如运动性、细胞聚集和胞外多糖产生。

    在农业应用方面，吲哚及其衍生物同样展现出应用潜力。例如，吲哚-3-乙酸（IAA）及其衍生物作为植物生长调节激素（生长素）被广泛应用，能够用作除草剂使用。IAA及其模拟物的应用在全球除草剂使用中排名第三，仅次于草甘膦和乙酰乳酸合酶抑制剂。此外，吲哚衍生物可以选择性激活神经递质受体，其往往还展现出抗病毒、抗真菌作用，以及对抗某些昆虫的潜力，

    吲哚不仅在医药、农业领域有着广泛应用，还在香料和香精产业中占有一席之地。在花卉精油中，尤其是茉莉、橙花和栀子花中，吲哚的积累为其香味增添了独特的魅力，是重要的香气化合物。随着对药物、香料、生物技术等应用需求的增加，全球吲哚市场预计将继续将持续增长，展现其在多个领域的广泛应用和重要价值。

图三 吲哚及其衍生物的不同应用

    吲哚及其衍生物在生物技术应用方面的多样性影响，为其在新领域的应用开辟了新视野。例如，开发基于吲哚的抗毒力剂对于抵抗顽固的细菌感染尤为有前景，因为吲哚在群体感应中发挥作用，这是一种对细菌生存、适应和致病性至关重要的通信系统。吲哚已被证明能够改变多种肠道病原体的致病性和侵袭性。在农业方面，吲哚及其衍生物也被应用于农作物生长调节和作为除草剂，如吲哚-3-乙酸（IAA）及其衍生物，被广泛用于全球除草剂市场。IAA的生物合成、运输和代谢调控，涉及从L-Trp衍生的含吲哚核心的褪黑素，它在动物中控制睡眠觉醒周期，在植物中作为抗氧化剂，减轻除草剂引起的氧化应激。此外，吲哚还在香料和食品行业中作为重要的香味成分，特别是在茉莉、橙花和栀子花等花卉精油中累积。

    在化学合成方面，吲哚可从硬煤焦油中分离得到，是吲哚的一个主要工业来源。化学合成方法包括通过Kanematsu策略同时构建吲哚的两个环，或基于已存在的环结构进行如Fischer、Mori、Hemetsberger或Madelung等命名反应苯环上进一步构建吡咯环。其中，Fischer吲哚合成法以N-芳基肼和酮或醛在酸性催化剂存在下加热进行吲哚化为例，适用于替代吲哚的合成。此外，Larock吲哚合成法使用邻位碘代苯胺和双取代炔烃是化学合成吲哚最实用和广泛适用的方法之一。化学合成吲哚的问题主要在于需要使用有毒溶剂、过渡金属催化剂，以及会产生大量溶剂废物。

    吲哚及其衍生物的这些应用展示了其在药物开发、农业调节、香料和食品工业中的广泛潜力，同时也突出了在化学合成方法中环保和高效合成路线的重要性。

图四 卤代吲哚衍生物的微生物生产

    吲哚及其衍生物的生物合成研究已取得了显著进展，尤其在通过生物催化方法生产吲哚方面。生物转化过程通常以吲哚的氧化为起点，经过多种酶的催化，如非血红素铁氧化酶、含血红素的氧化酶和黄素依赖性单加氧酶，最终产生吲哚的氧化衍生物，其中最为广泛的研究应用是将吲哚转化为靛蓝。此外，通过使用卤化酶，研究者还实现了吲哚的卤代衍生物的生物合成，例如7-氯吲哚和5-溴吲哚的生产，这些反应需要卤化盐、氧和还原型的黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）作为辅因子。此外，吲哚特异性的黄素依赖性卤化酶BrvH能够将吲哚转化为3-溴吲哚，表现出对溴化反应的高选择性。

    吲哚及其衍生物的生物合成和代谢工程在微生物细胞工厂中的应用展示了生物技术在合成有价值的化学品方面的潜力。通过对吲哚进行羟基化以产生靛蓝和其他靛蓝色素，微生物细胞工厂已经能够在细胞工厂中以克级别的规模生产靛蓝。这一进展基于将吲哚转化为靛蓝的酶，例如萘二氧化酶（NDO）和含黄素的单加氧酶（FMO），进而通过自发反应将靛蓝素转化为靛蓝。除了靛蓝的生产，微生物细胞工厂还成功应用于生产卤代吲哚衍生物，这是通过在谷氨酸棒杆菌中表达特定的卤化酶和色氨酸酶（TnaA）实现的，这些酶能够接受卤代色氨酸作为底物。此外，通过组合卤化和羟基化吲哚骨架，可以生产溴代靛蓝色素，如地中海海蜗牛Murex brandaris产生的泰尔紫（6,6′-二溴靛蓝）。这些生物合成路径的优化，包括使用不同的酶系统和工程菌株，为生产具有药物活性的靛蓝色素及其衍生物提供了新途径。

    此外，通过代谢工程手段，研究者已经在重组大肠杆菌中实现了从葡萄糖直接生产靛蓝和靛红素等吲哚衍生物，并利用包括调节色氨酸合成途径、提高前体物质的可用性以及优化酶表达等策略进一步提高了产量。这些成果不仅为生产靛蓝和其他有价值的吲哚衍生物提供了有效的生物工程方法，也展示了通过微生物细胞工厂实现复杂有机分子合成的可能性，为未来的生物技术应用开辟了新的方向。

表二 微生物细胞工厂生产吲哚和靛蓝

    吲哚及其衍生物因其在医药和生物工程领域的多样性功能而备受关注，作者认为吲哚未来相关研究将重点关注在吲哚在生物体和环境相互作用时扮演的角色。相关研究将通过不同的生物合成途径获取特定同位素标记的吲哚衍生物进行相关实验，有助于追踪其在不同生物学过程中的命运和作用。此外，吲哚衍生物在抗癌领域的应用也备受关注，它们通过如调节细胞周期或抑制特定的信号通路等多种机制发挥癌症治疗作用。

    尽管已有研究报道在发酵过程中实现了吲哚及其衍生物的生产，但对某些卤代吲哚的生物技术合成还有待开发及优化。此外，为了提高吲哚及其衍生物的生物技术生产效率，需要对其合成酶进行进一步挖掘和改造。作者希望未来通过定向进化等策略，可以推进开发出与工业发酵过程兼容的改进酶，以加速吲哚及其衍生物的生物制造并探索其在抗癌药物开发、环境监测和农业领域方向的应用。

Ferrer, L., Mindt, M., Wendisch, V.F. et al. Indoles and the advances in their biotechnological production for industrial applications. Syst Microbiol and Biomanuf (2023). https://doi.org/10.1007/s43393-023-00223-x