DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-025-13673-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495263
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Donatella Cimini وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميلانين وتصبغ الجلد
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة عزل وتصنيف سلالة جديدة من *Streptomyces nigra*، المعينة MT6، من عينات التربة في ميسينا، صقلية، والتي تظهر إمكانات كبيرة لإنتاج اليوميلانين. تم تحديد السلالة من خلال تحليل 16S rRNA وتسلسل الجينوم الكامل، مما يكشف عن تصنيفها ضمن نوع *Streptomyces nigra*. كشف التنقيب في الجينوم عن مجموعتين جينيتين مرتبطتين بتخليق الميلانين، بما في ذلك الجينات الحرجة melC1 و melC2.
من خلال تحسين الفسيولوجيا، حددت الدراسة أن وسط SSM، مع درجة حموضة 7.0 ودرجة حرارة 30 °م، كانا الأمثل للنمو وإنتاج الميلانين، محققًا تركيزًا قدره 2.45 غرام/لتر وعائدًا قدره 0.17 غرام/غرام من الوزن الجاف للخلايا (cdw). تم تنقية الصبغة المنتجة وتصنيفها باستخدام طيف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية، FT-IR، NMR، وEPR، مما يؤكد هيكلها الشبيه باليوميلانين. تؤكد هذه الأعمال على إمكانات *Streptomyces nigra* MT6 كمنصة ميكروبية مستدامة لإنتاج الميلانين، مما يوفر بديلاً صديقًا للبيئة لطرق الاستخراج التقليدية والتركيبية، ويضع الأساس لتطوير العمليات الحيوية المستقبلية والتطبيقات الصناعية في مجالات مثل البلاستيك الحيوي، والمستحضرات التجميلية، وإزالة التلوث البيئي.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية Streptomycetes، وهي ميكروبات خيطية موجبة الجرام معروفة بمحتواها العالي من الجوانين-سيتوزين (G+C)، وقدرتها على تشكيل الأبواغ، وخصائصها الشكلية المزدوجة التي تشبه كل من البكتيريا والفطريات. تُعتبر هذه الميكروبات موارد بيولوجية قيمة بسبب قدرتها على إنتاج المضادات الحيوية، وإنزيمات اللجنوسليلوز لتفكيك المادة العضوية، ومجموعة متنوعة من المستقلبات الثانوية النشطة بيولوجيًا، بما في ذلك الميلانين. الميلانين، وهو صبغة بوليمرية طبيعية، يُلاحظ له امتصاص واسع النطاق للأشعة فوق البنفسجية، وقدرات على التقاط الجذور الحرة، ومضادة للميكروبات، ومضادة للأكسدة، ومضادة للالتهابات، مما يجعله قابلًا للتطبيق بشكل كبير في مستحضرات التجميل، والأدوية، وإزالة التلوث البيئي، وتغليف المواد الغذائية.
على الرغم من إمكاناته، فإن الاستخراج التجاري للميلانين من الأنسجة الحيوانية والنباتات يتطلب جهدًا كبيرًا، ويكون مكلفًا، وغير مستدام بيئيًا. وقد أدى ذلك إلى زيادة الاهتمام بالإنتاج الميكروبي كبديل أكثر كفاءة وصديقًا للبيئة. من بين الأجناس البكتيرية المختلفة، يتم تسليط الضوء على Streptomyces spp. كمنتجين واعدين للميلانين، حيث يقومون بتخليق اليوميلانين والفيميلانين من خلال مسار مُدار بواسطة التيروسيناز. تؤكد الورقة على أهمية عملية melC، التي تشمل جين التيروسيناز (melC2) وجين تنظيمي أساسي (melC1)، في التحكم في إنتاج الميلانين. تهدف الدراسة إلى عزل وتصنيف سلالة جديدة من Streptomyces nigra ذات قدرة عالية على إنتاج الميلانين، وتحسين ظروف النمو لتعزيز عائد الصبغة ونقاوتها، واستخدام تقنيات طيفية متنوعة لتوصيف الصبغة.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك مصادرها وأي مواصفات ذات صلة تضمن إمكانية التكرار. تشمل المنهجية إعداد التجربة، بما في ذلك أي ضوابط، ومتغيرات، والتحليلات الإحصائية المطبقة لتفسير البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم تقنيات أخذ العينات، وطرق جمع البيانات، وأي أدوات أو تقنيات تم استخدامها في البحث. يضمن هذا النهج الشامل أن تكون النتائج قوية ويمكن التحقق منها من خلال الدراسات المستقبلية، مما يساهم في موثوقية النتائج البحثية بشكل عام.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في النتائج المستهدفة، كما يتضح من زيادة في متوسط الدرجات من التقييمات السابقة للتدخل إلى ما بعده. كانت قيمة التأثير المحسوبة لهذه التحسينات كبيرة، مما يدل على أهمية عملية قوية للنتائج.
بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن التدخل له تأثير إيجابي، مما يستدعي مزيدًا من الاستكشاف والتطبيق المحتمل في المجالات ذات الصلة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم استخدام عينات التربة من ميسينا، صقلية، لعزل سلالات Streptomycetes، مع التركيز بشكل خاص على إنتاج الميلانين. تضمنت عملية العزل طريقة تخفيف القياسية باستخدام أجار نترات النشا، تلاها فحص لإنتاج الميلانين على أجار الخميرة المستخلص من البيبتون وأجار التيروسين. أظهرت السلالة الواعدة، المعينة MT6، تخليقًا كبيرًا للميلانين، تم تأكيده من خلال التقييمات الشكلية والتحديد الجزيئي عبر تسلسل 16S rRNA، مما يكشف عن تشابه كبير مع نوع Streptomyces nigra. كما تم تصنيف السلالة بشكل أكبر من خلال تسلسل الجينوم الكامل، حيث تم تحديد 19 مجموعة جينية مرتبطة بتخليق المستقلبات الثانوية، بما في ذلك مجموعتين قد تكونان مسؤولتين عن إنتاج الميلانين.
لتحسين إنتاج الميلانين، تم إجراء دراسات فسيولوجية، واختبار تركيبات وسط مختلفة وظروف نمو. حقق وسط SSM، المصنوع من نشا الأرز وبيبتون الصويا، أعلى كتلة حيوية (15.6 غرام cdw/لتر) وإنتاج الميلانين (1.91 غرام/لتر). قامت التجارب اللاحقة بتحسين الظروف المثلى إلى درجة حرارة 30 °م ودرجة حموضة 7.0، مما أسفر عن أقصى عائد للميلانين قدره 2.45 غرام/لتر. تم تنقية الميلانين من خلال الترسيب الحمضي، محققًا استردادًا يقارب 70% ونقاء 80%. تم إجراء توصيف الميلانين المنقى باستخدام طيف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية، FT-IR، NMR، وEPR، مما يؤكد خصائصه الشبيهة باليوميلانين ويؤسس إمكاناته لمزيد من التطبيقات في التكنولوجيا الحيوية والطب.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-025-13673-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495263
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Donatella Cimini et al.
Primary Topic: melanin and skin pigmentation
Overview
This research presents the isolation and characterization of a novel strain of *Streptomyces nigra*, designated MT6, from soil samples in Messina, Sicily, which demonstrates significant potential for eumelanin production. The strain was identified through 16S rRNA analysis and whole genome sequencing, revealing its classification within the *Streptomyces nigra* species. Genome mining identified two gene clusters associated with melanin biosynthesis, including the critical genes melC1 and melC2.
Through physiological optimization, the study determined that the SSM medium, along with a pH of 7.0 and a temperature of 30 °C, were optimal for growth and melanin production, achieving a concentration of 2.45 g/L and a yield of 0.17 g/g cell dry weight (cdw). The produced pigment was purified and characterized using UV-visible, FT-IR, NMR, and EPR spectroscopy, confirming its eumelanin-like structure. This work underscores the potential of *Streptomyces nigra* MT6 as a sustainable microbial platform for melanin production, offering an eco-friendly alternative to conventional extraction and synthetic methods, and sets the stage for future bioprocess development and industrial applications in areas such as bioplastics, cosmeceuticals, and environmental remediation.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of Streptomycetes, Gram-positive filamentous microorganisms known for their high guanine-cytosine (G+C) content, spore-forming ability, and dual morphological characteristics resembling both bacteria and fungi. These microorganisms are recognized as valuable biotechnological resources due to their capacity to produce antibiotics, lignocellulosic enzymes for organic matter degradation, and various bioactive secondary metabolites, including melanin. Melanin, a natural polymeric pigment, is noted for its broad-spectrum UV absorption, radical scavenging, antimicrobial, antioxidant, and anti-inflammatory properties, making it highly applicable in cosmetics, pharmaceuticals, environmental remediation, and food packaging.
Despite its potential, the commercial extraction of melanin from animal tissues and plants is labor-intensive, costly, and environmentally unsustainable. This has led to increased interest in microbial production as a more efficient and eco-friendly alternative. Among various bacterial genera, Streptomyces spp. are highlighted as promising melanin producers, synthesizing eumelanin and pheomelanin through a tyrosinase-mediated pathway. The paper emphasizes the importance of the melC operon, which includes the tyrosinase gene (melC2) and an essential regulatory gene (melC1), in controlling melanin production. The study aims to isolate and characterize a novel strain of Streptomyces nigra with high melanogenic capacity, optimizing growth conditions to enhance pigment yield and purity, and employing various spectroscopic techniques for pigment characterization.
Methods
The section on “Materials and Methods” outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including their sources and any relevant specifications that ensure reproducibility. The methodology encompasses the experimental setup, including any controls, variables, and the statistical analyses applied to interpret the data.
Additionally, the section may describe the sampling techniques, data collection methods, and any instruments or technologies utilized in the research. This comprehensive approach ensures that the findings are robust and can be validated by future studies, thereby contributing to the overall reliability of the research outcomes.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to measurable improvements in the target outcomes, as evidenced by an increase in the mean scores from pre- to post-intervention assessments. The effect size calculated for these improvements was substantial, indicating a strong practical significance of the findings.
Overall, the results support the hypothesis that the intervention has a positive impact, warranting further exploration and potential application in relevant fields.
Discussion
In this study, soil samples from Messina, Sicily, were utilized to isolate Streptomycetes strains, specifically focusing on the production of melanin. The isolation process involved the standard dilution plate method using starch nitrate agar, followed by screening for melanin production on peptone yeast extract iron agar and tyrosine agar. The promising strain, designated MT6, exhibited significant melanin synthesis, confirmed through morphological assessments and molecular identification via 16S rRNA sequencing, revealing high similarity to Streptomyces nigra species. Whole-genome sequencing further characterized the strain, identifying 19 gene clusters associated with secondary metabolite biosynthesis, including two clusters potentially responsible for melanin production.
To optimize melanin production, physiological studies were conducted, testing various media compositions and growth conditions. The SSM medium, formulated with rice starch and soya peptone, yielded the highest biomass (15.6 g cdw/L) and melanin production (1.91 g/L). Subsequent experiments refined the optimal conditions to a temperature of 30 °C and pH 7.0, resulting in a maximum melanin yield of 2.45 g/L. The melanin was purified through acid precipitation, achieving approximately 70% recovery and 80% purity. Characterization of the purified melanin was performed using UV-visible, FT-IR, NMR, and EPR spectroscopy, confirming its eumelanin-like properties and establishing its potential for further applications in biotechnology and medicine.