High-Level Production of the Industrial Product Lycopene by the Photosynthetic Bacterium Rhodospirillum rubrum
- 作者
- Guo-Shu Wang, Hartmut Grammel, Khaled Abou-Aisha, Rudolf Sägesser, Robin Ghosh
- 单位
- Department of Bioenergetics, Institute of Biology, University of Stuttgart, Stuttgart, Germany; Max Planck Institute for the Dynamics of Complex Technical Systems, Magdeburg, Germany
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2012）
- DOI
- 10.1128/AEM.00545-12
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
验证Rhodospirillum rubrum的CrtI是否仅产生番茄红素，并利用该光合细菌实现番茄红素的高水平生产。
研究策略
通过染色体插入卡那霉素抗性盒破坏crtC-crtD区域，阻断番茄红素下游加工使其积累为终产物；利用优化的半好氧高密度培养基（M2SF和M2SF+）进行暗培养生产。
核心内容
该研究通过基因失活策略在光合细菌Rhodospirillum rubrum中实现了番茄红素的高水平生产。研究者利用卡那霉素抗性盒插入染色体破坏crtC-crtD区域，阻断了 spirilloxanthin 途径中番茄红素的下游加工步骤，使其积累为终产物，从而首次从遗传学上证实该菌的CrtI脱氢酶仅以番茄红素为唯一产物。在优化的半好氧高密度培养基M2SF+中暗培养，突变株SLYC18的番茄红素产量达到2 mg/g细胞干重或15 mg/L培养液，与工程大肠杆菌的报道产量相当，而野生型主要积累spirilloxanthin为1.41 mg/g干重。纯化的LH1捕光复合物中细菌叶绿素a与番茄红素的摩尔比约为2:1，表明番茄红素能高效整合入光合膜复合物并保持功能。尽管突变株生长延滞期延长（M2SF+中约39.5小时，野生型21.8小时），其每克干重类胡萝卜素含量仍比野生型高约22%，单位体积产量高约40%。该工作证明无需复杂代谢工程改造即可利用光合细菌进行番茄红素的工业化生产，半好氧暗培养策略具有放大潜力。
创新点
首次提供遗传学证据证明R. rubrum的CrtI以番茄红素为唯一终产物；证明番茄红素在体内可高效结合LH1复合物；无需复杂代谢工程即可获得与工程大肠杆菌相当的产量。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodospirillum rubrum SLYC18 | 类胡萝卜素生物合成途径（spirilloxanthin途径） | crtC | CrtC | 催化 | crtC-crtD区域插入卡那霉素抗性盒导致功能缺失，阻断番茄红素下游加工 |
| Rhodospirillum rubrum SLYC18 | 类胡萝卜素生物合成途径（spirilloxanthin途径） | crtD | CrtD | 催化 | 与crtC同时被破坏，使番茄红素积累为终产物 |
| Rhodospirillum rubrum S1 | 类胡萝卜素生物合成途径（spirilloxanthin途径） | crtI | CrtI（八氢番茄红素脱氢酶） | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素，本文验证其产物为唯一终产物 |
| Rhodospirillum rubrum SLYC18 | 光合作用（光合膜生物合成） | — | LH1捕光复合物 | 区室化 | 在胞质内膜中结合番茄红素，使色素在体内稳定存在并保持光合功能 |
关键发现
- 在M2SF+培养基中，SLYC18半好氧暗培养积累番茄红素达2 mg/g细胞干重或15 mg/L培养液；野生型S1产spirilloxanthin为1.41 mg/g干重；SLYC18和ST4每克干重的类胡萝卜素含量比野生型高约22%，每升培养液产量高约40%；纯化LH1复合物中BChla与番茄红素摩尔比为2.27±0.07（约2:1）；M2SF培养基中生长延滞期分别为：野生型14.7h、ST4
- 8h、SLYC18
- 5h，M2SF+中分别为21.8h、46.6h、39.5h；指数期生长速率约0.1 A660/h（M2SF）和0.06 A660/h（M2SF+）。
研究结论
crtC-crtD缺失突变使R. rubrum以番茄红素为最终产物，产量与已报道的工程大肠杆菌相当；番茄红素能功能性整合到LH1复合物中，半好氧培养策略适合工业放大生产。