从波斯湾分离出的海洋来源链霉菌属（Streptomyces sp.），作为黑色素的新来源

《Journal of Biotechnology》：Marine-derived Streptomyces sp. isolated from the Persian Gulf as a novel source of melanin

本研究从波斯湾沉积物中分离出Streptomyces strain SEA5，通过L-酪氨酸和豆粕培养基探究其黑色素合成及理化特性，发现该菌株在含L-酪氨酸培养基中黑色素产量达1.5 g/L，且光谱分析显示其结构类似哺乳动物真黑色素。该黑色素具有SPF 22.55的防晒效果，显著降低DPPH自由基（60-77%），并选择性抑制A375黑色素瘤细胞生长（IC50:79.82 μg/mL），但对正常角质细胞无毒。为海洋微生物资源开发天然功能材料提供新依据。

　　

Seyed Muhammad Hamid Malekpour | Moj Khaleghi | Alireza Akhtarpoor | Mostafa Pournamdari | Hoda Keshmiri Neghab | Farideh Mohammad Hosein Zadeh

伊朗克尔曼省沙希德·巴霍纳尔大学理学院生物系

摘要

本研究调查了从波斯湾沉积物中分离出的链霉菌SEA5菌株产生的黑色素的结构和生物特性。该菌株在富含L-酪氨酸和肉提取物的培养基中生长。此外，还使用含有不同来源L-酪氨酸（如大豆粉）的培养基进行了色素生产。色素通过盐酸提取。为了研究其物理化学性质，采用了薄层色谱（TLC）、高效液相色谱（HPLC）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和1H核磁共振（1H NMR）分析方法。同时，还研究了该色素的强紫外吸收能力、抗氧化活性和细胞毒性。结果表明，SEA5菌株在含有L-酪氨酸的培养基中生长良好，并产生了大量黑色素（1.5克/升），而在含有大豆粉的培养基中产生的黑色素量为1.36克/升。紫外-可见光谱显示其吸收峰位于225纳米处。傅里叶变换红外光谱鉴定出真黑素的功能基团，主要吸收峰位于3414.46厘米^-1（N-H键）和1650-1540厘米^-1（C=O和C=N键振动）。1H核磁共振谱显示多个峰，这些峰位于6.9至8.0 ppm之间，表明存在芳香质子。提取的色素具有22.55的防晒指数（SPF），并表现出显著的抗氧化活性，能够减少60-77%的DPPH自由基。该色素能够选择性抑制A375黑色素瘤细胞的生长（IC50值为79.82微克/毫升），而对正常人真皮成纤维细胞和HaCaT角质形成细胞无毒性。总体而言，这些发现表明SEA5菌株产生的黑色素具有作为护肤品、药品和抗氧化材料的潜力。

引言

在过去的一个世纪里，合成染料在许多行业中发挥了重要作用，尤其是在纺织、化妆品和食品加工领域。这得益于它们鲜艳的颜色、化学稳定性和较低的生产成本。然而，随着科学意识的提高，人们逐渐认识到合成染料的显著缺点，包括环境持久性、潜在的生物累积性和相关的毒性风险。一些合成染料已被证实具有致癌或致突变性，因此受到了监管限制，并引起了公众的广泛关注（Amchova等人，2015年；Gomes等人，2025年）。作为回应，人们开始转向开发和利用来自植物、动物和微生物的天然色素，因为它们具有更好的生物降解性、较低的毒性和可持续的生产方式（Rodriguez-Amaya，2016年；Oplatowska-Stachowiak和Elliott，2017年）。 在天然色素来源中，微生物是一个有前景但尚未得到充分利用的选项。微生物生长迅速，可以轻易改变其代谢途径，并能产生多种结构不同的生物活性化合物。微生物来源的色素（如类胡萝卜素、普罗迪吉辛、藻蓝蛋白、核黄素和黑色素）因其功能性特点和环保特性而在生物技术领域受到越来越多的关注（Sen等人，2019年）。细菌是微生物色素的重要来源，因为它们在代谢上高效且存在于环境中。金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、红紫菌（Serratia marcescens）、隐秘棒状杆菌（Corynebacterium insidiosum）、玫瑰红曲霉（Monascus roseus）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）以及多种放线菌菌株能够分别合成玉米黄质、普罗迪吉辛、靛蓝素、角黄质、pyocyanin和黑色素（Sen等人，2019年；Simsek Geyik等人，2025年）。 特别是细菌作为色素生产者具有多种优势，包括可扩展性和对土地或资源的需求较低。包括金黄色葡萄球菌（Staphylococcus）、红紫菌（Serratia）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas）和链霉菌（Streptomyces）在内的多个属已经证明能够合成高价值的色素，适用于工业和治疗应用。 在放线菌门中，链霉菌（Streptomyces）是次级代谢产物和色素的丰富生产者，尤其是黑色素。这一属包含超过700个已鉴定的物种，以其生态多样性、代谢适应性和对药物发现的贡献而闻名（Salam等人，2020年；Liao等人，2019年；Goel等人，2021年；Komaki，2023年）。来自海洋的链霉菌物种，尤其是那些来自极端或研究不足的生态系统（如波斯湾）的物种，作为潜在的色素生产者仍然相对未被充分探索，代表着巨大的生物勘探资源（Shata等人，2025年）。 黑色素是一种由酚类和吲哚类亚单位组成的异质生物聚合物，通常由L-酪氨酸合成（Caldas等人，2020年）。根据生物合成途径和生物体来源的不同，黑色素有多种结构形式，包括异黑色素、pyomelanin、真黑素和细菌多酮衍生的黑色素（Pettinari等人，2023年）。哺乳动物的黑色素生成发生在称为黑素细胞的特化细胞中，通过严格调控的酶促途径进行。这一过程始于L-酪氨酸，它被酪氨酸酶转化为L-DOPA，再进一步转化为多巴醌，然后根据半胱氨酸的可用性分支生成真黑素或褐黑素。这种双重性反映了阴阳平衡：一方面，黑色素提供光保护和抗氧化防御；另一方面，黑色素生成的中间产物可能具有细胞毒性、基因毒性和致突变性，从而促进黑色素瘤的发展和治疗抗性（Slominski等人，2022年）。相比之下，在细菌的黑色素生成过程中，主要底物是L-酪氨酸，它既是真黑素途径（L-DOPA → 多巴醌 → 黑素）的前体（由酪氨酸酶催化），也是pyomelanin途径的前体（通过homogentisate途径）。其他关键底物包括丙二酰辅酶A（malonyl-CoA），它在多酮合酶（PKS）途径中用于生成四氢萘（THN）黑色素，以及L-半胱氨酸，它可以与多巴醌结合形成褐黑素。此外，多种酚类化合物（如儿茶酚和1,8-二羟基萘（DHN）也是合成不同类型异黑素的底物。与哺乳动物细胞不同，微生物中的黑色素中间产物通常不会引起中毒或明显的有害副作用。相反，细菌黑色素主要作为对抗环境压力的保护因素，支持生物体的生存，而不像哺乳动物黑色素生成过程中那样具有明显的负面影响（Pavan等人，2020年）。这些天然色素的颜色从浅棕色到黑色不等，具有多种生理功能，包括抗氧化应激、辐射防护和铁清除（Solano等人，2014年；Song等人，2023年；Song等人，2025年）。 黑素的生物学重要性不仅限于色素沉着。在人体生理学中，它作为一种关键的光保护剂，可以减轻紫外线（UV）引起的DNA损伤，减少光老化，降低皮肤癌（包括黑色素瘤）的风险（Gomes等人，2025年；O'Hara等人，2020年；Pfeifer，2020年；Tang等人，2021年；Zamudio Díaz等人，2024年）。最近的研究表明，微生物产生的黑色素（尤其是细菌来源的）具有显著的生物功能，包括吸收紫外线、提高防晒指数（SPF）、清除自由基和促进组织再生（Biyashev等人，2023年；Solano，2020年；Eskandari和Etemadifar，2021a）。细菌黑色素还表现出神经保护作用，可能有助于预防阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病（Sarkissian等人，2025年；Rahaman等人，2023年）。 此外，黑色素还显示出显著的治疗潜力，具有抗氧化、抗炎、抗癌和抗菌活性。它已被证明对黑色素瘤和白血病等恶性肿瘤有效（Marcovici等人，2022年）。同时，它还对多种微生物病原体（包括芽孢杆菌（Bacillus）、克雷伯菌（Klebsiella）、假单胞菌（Pseudomonas）以及HIV和SARS-CoV-2等病毒具有抑制作用（Koehler等人，2021年；Vijayababu和Kurian，2021年；Polapally等人，2022年）。 尽管具有这些有希望的特性，但关于来自海洋的链霉菌菌株作为黑色素来源的研究仍然较少，尤其是那些来自像波斯湾这样独特且生物多样性丰富的环境中的菌株。该地区具有高盐度、温度波动和丰富的微生物多样性，有利于代谢特化生物的进化。鉴于海洋放线菌产生黑色素的巨大潜力以及黑素的多种生物活性，本研究旨在从波斯湾沉积物中分离出一种新的链霉菌SEA5菌株，并研究其黑色素的结构和功能特性。通过结合物理化学和生物学检测方法（包括TLC、HPLC、UV-Vis光谱、FTIR、1H-NMR、抗氧化活性测试、细胞毒性测试和SPF测定），本研究旨在突出海洋微生物黑色素的生物技术价值，为其在护肤品、药品和抗氧化制剂中的应用提供依据。

分离与初步筛选

为了分离产生黑色素的放线菌，使用了我们实验室之前分离出的菌株（Mohammadi等人，2022年；Malekpour等人，2024年）。最初，所有菌株都在Gauze、ISP2和ISP4培养基上培养，并在30°C下孵育七天。初步筛选出表现出黑色至深棕色色素的菌株作为潜在的黑色素生产者。为了进行更具体的筛选，这些菌株被重新培养在酪氨酸琼脂/肉汤（ISP-7培养基）上并继续孵育。

黑色素生成与底物筛选

在我们实验室之前从土壤、海水和海洋沉积物以及植物相关环境中分离出的132株放线菌中，有7株在Gauze、ISP2和ISP4琼脂培养基上培养时产生了深棕色至黑色的色素。在这些产生色素的菌株中，SEA5菌株表现出最强烈的和最丰富的色素沉着（图1A），因此被选为进一步研究的对象。

讨论

细菌产生的黑色素这种天然色素对环境压力源（尤其是有害的紫外线（UV）具有显著的防护作用。通过吸收和分散紫外线能量，它有助于保持细胞完整性，防止DNA损伤，并抑制活性氧（ROS）的生成。这些功能优势使其应用范围超越了生物保护，扩展到了染料工业、食品加工和神经保护等领域。

结论

本研究强调了从波斯湾分离出的海洋链霉菌SEA5菌株是一种强大的黑色素生产者，其结构和化学特性与真黑素相似。在低成本的大豆粉培养基中培养可获得高产量的黑色素，显示出可持续且经济可行的生产策略。提取的黑色素表现出多种功能特性，包括显著的抗氧化活性和有效的防晒指数（SPF）。

资金来源

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。

作者贡献声明

Farideh Mohammad Hosein Zadeh：研究、数据分析、数据管理。 Seyed Muhammad Hamid Malekpour：撰写初稿、项目管理、研究、数据分析、数据管理。 Alireza Akhtarpoor：研究、数据管理。 Mostafa Pournamdari：验证、监督、方法学研究、数据分析、数据管理。 Keshmiri Neghab Hoda：监督、方法学研究、数据管理。 Moj Khaleghi：验证、监督、资源管理、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢克尔曼省沙希德·巴霍纳尔大学为这项研究提供必要的设备和设施。