Production of Lycopene in the Non-Carotenoid-Producing Yeast Yarrowia lipolytica
- 作者
- Falk Matthäus, Markus Ketelhot, Michael Gatter, Gerold Barth
- 单位
- Institute of Microbiology, Dresden University of Technology, Dresden, Germany
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2014）
- DOI
- 10.1128/AEM.03167-13
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在非类胡萝卜素产生菌解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）中实现番茄红素的高效异源生产，并解决产物储存和产量限制问题。
研究策略
将来自菠萝泛菌（Pantoea ananatis）的密码子优化基因crtB和crtI在TEF1启动子控制下表达；共过表达限速基因GGS1和HMG1增强类异戊二烯前体供应；敲除POX1-POX6和GUT2基因增大脂质体形成以提高番茄红素储存能力；通过补料分批发酵和pH调控优化产量。
核心内容
本研究在非类胡萝卜素产生菌解脂耶氏酵母中实现了番茄红素的高效异源生产。研究者将菠萝泛菌的密码子优化基因crtB和crtI置于TEF1启动子下表达，并共过表达限速基因GGS1和HMG1以增强类异戊二烯前体供给，同时敲除POX1-POX6和GUT2基因增大脂质体形成以提高产物储存能力。单独表达crtB和crtI的菌株在摇瓶中仅产番茄红素142 μg/g DCW，共过表达GGS1和HMG1使产量提升10.8倍至1540 μg/g DCW。敲除相关基因后，通过补料分批发酵并将pH从5.5降至3.5以减少有机酸积累、延长生产期，最终产量达16 mg/g DCW，为当时真核系统中的最高水平。研究还证实番茄红素主要定位于脂质体，扩大脂质体储存库是提高产量的有效策略，并建立了适用于不同菌株的单拷贝基因组整合平台。该工作表明解脂耶氏酵母是生产类胡萝卜素的优良宿主，为萜类化合物的异源合成提供了可行路径。
创新点
建立了适用于不同解脂耶氏酵母菌株的新型单拷贝基因组整合平台（IntB/IntF）；证实番茄红素主要定位于脂质体，通过增大脂质体提高储存容量；在真核宿主中获得迄今最高的番茄红素产量16 mg/g DCW。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Yarrowia lipolytica H222及衍生菌株 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtB | phytoene synthase (CrtB) | 催化 | 来自Pantoea ananatis，密码子优化并带StrepII标签，催化两分子GGPP缩合生成phytoene |
| Yarrowia lipolytica H222及衍生菌株 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtI | phytoene desaturase (CrtI) | 催化 | 来自Pantoea ananatis，密码子优化并带StrepII标签，催化phytoene经多步脱氢生成lycopene |
| Yarrowia lipolytica H222及衍生菌株 | 甲羟戊酸途径/萜类前体合成 | GGS1 | geranylgeranyl diphosphate synthase (Ggs1) | 催化 | 内源基因，过表达以促进FPP向GGPP转化，增强类胡萝卜素前体供应 |
| Yarrowia lipolytica H222及衍生菌株 | 甲羟戊酸途径 | HMG1 | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (Hmg1) | 催化 | 内源基因，过表达以解除甲羟戊酸途径限速步骤，提高FPP供给 |
| Yarrowia lipolytica H222 ΔBI GH | 脂肪酸β-氧化 | POX1-POX6 | acyl-CoA oxidase (Pox1-Pox6) | 催化 | 敲除脂肪酸β-氧化第一步相关基因，阻断过氧化物酶体β-氧化，促进脂质体积累 |
| Yarrowia lipolytica H222 ΔBI GH | 甘油代谢/糖异生 | GUT2 | glycerol-3-phosphate dehydrogenase (Gut2) | 催化 | 敲除GUT2减少甘油-3-磷酸流向糖异生，增加脂质合成前体，促进脂质体增大 |
关键发现
- 单独表达crtB和crtI的菌株（H222 ΔBI）在YPD摇瓶中96 h产番茄红素142 μg/g DCW
- 额外过表达GGS1使产量提高2.6倍至370 μg/g DCW
- 过表达HMG1使产量提高6.9倍至980 μg/g DCW
- 同时过表达GGS1和HMG1使产量提高10.8倍至1540 μg/g DCW。敲除POX1-POX6和GUT2后，在补料分批发酵中产量达13 mg/g DCW（H222 ΔBI GH），且将pH从5.5降至3.5可减少有机酸产生并延长生产期，最终产量达16 mg/g DCW。番茄红素主要分布在脂质体组分中，油酸培养增大脂质体但并未提高比产量。
研究结论
解脂耶氏酵母是生产类胡萝卜素的优良宿主，通过增强前体供给、扩大脂质体储存库及优化发酵条件，实现了真核系统中迄今最高水平的番茄红素生产（16 mg/g DCW）。