Microbial Production of C13-Norisoprenoids and Other Aroma Compounds via Carotenoid Cleavage
- 作者
- E. Rodriguez-Bustamante, S. Sanchez
- 单位
- Departamento de Biologia Molecular y Biotecnologia, Instituto de Investigaciones Biomédicas, Universidad Nacional Autónoma de México, México, D.F. 04510, Mexico
- 杂志
- Critical Reviews in Microbiology（2007）
- DOI
- 10.1080/10408410701473306
- 所属领域
- 发酵工程/微生物生物技术
- 关键词
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解决的核心问题
类胡萝卜素衍生的C13-降异戊二烯等香气化合物（如紫罗酮、大马酮）在植物中含量低、提取成本高，化学合成又不符合‘天然’标签，急需开发经济可行的微生物生产方法。
研究策略
系统综述类胡萝卜素裂解酶（CCOs）的分类、催化机制及微生物生产香气化合物的研究进展，重点介绍了来源于蓝藻、真菌和细菌的裂解酶，以及利用微生物混合培养、游离酶和代谢工程手段将类胡萝卜素转化为C13-降异戊二烯的策略。
核心内容
该文系统综述了利用微生物生产类胡萝卜素衍生香气化合物（尤其是C13-降异戊二烯类）的研究进展，旨在解决植物提取成本高和化学合成不符合"天然"标签的问题。作者梳理了来源于蓝藻、真菌和细菌的类胡萝卜素裂解酶的催化机制，总结了游离酶催化、微生物混合培养和代谢工程三类转化策略。关键结果包括：蓝藻Nostoc的NSC1在9,10位裂解β-胡萝卜素生成β-紫罗酮，NSC2在15,15'位裂解生成视黄醛；Paenibacillus amylolyticus与Trichosporon asahii混合培养可实现95%的叶黄素降解，主要产物为7,8-二氢-β-紫罗醇（占84.2%）和β-紫罗酮（9.4%）；真菌降解实验中Marasmius scorodonius胞外酶在60分钟内降解40%的β-胡萝卜素。此外，培养基优化使烟草香气产量提高近10倍，介孔硅酸盐吸附剂可回收98%的β-紫罗酮。这些结果表明微生物发酵和酶催化能够提供对映体纯的天然香气产物，是替代植物提取和化学合成的可行方案，但相关酶学调控机制仍待深入探索，未来可通过新酶挖掘和代谢工程优化产量。
创新点
首次全面总结了利用微生物（包括蓝藻氧合酶、真菌胞外过氧化物酶、细菌-酵母混合培养）生产类胡萝卜素衍生香气化合物的研究；报道了多个新型裂解酶（如Nostoc的NSC1/NSC2/NSC3、Lepista irina过氧化物酶）及其催化位点；提出了从叶黄素生物转化生成烟草香气的四步途径。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成 | NSC1, NSC2, NSC3 | NSC1、NSC2、NSC3 | 催化 | 来自Nostoc sp. PCC 7120的类胡萝卜素裂解双加氧酶；NSC1在9,10(9',10')位裂解β-胡萝卜素和β-apo-8'-carotenal生成β-紫罗酮；NSC2在15,15'位裂解生成视黄醛；NSC3可裂解β-apo-8'-carotenal的9,10位。 |
| Microcystis PCC 7806 | 类胡萝卜素裂解 | — | β-胡萝卜素氧合酶（膜结合） | 催化 | 在7,8(7',8')位对称裂解β-胡萝卜素或玉米黄质，生成β-环柠檬醛和藏花醛二醛。 |
| Calothrix parientina PCC 6303, Calothrix sp. PCC 7507, Plectonema notatum, Plectonema sp. PCC 7410 | 类胡萝卜素裂解 | — | 氧合酶（推测） | 催化 | 产生β-紫罗酮、二氢-β-紫罗酮、二氢猕猴桃内酯、β-环柠檬醛等C9-C13香气化合物。 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素裂解 | — | — | 催化 | 从万寿菊中分离的酵母，可降解Ditaxis heterantha的色素和heteranthin，生成藏红花醛和3-羟基-β-环柠檬醛。 |
| Paenibacillus amylolyticus + Trichosporon asahii（混合培养） | 叶黄素生物转化 | — | — | 催化 | T. asahii负责将叶黄素裂解为β-紫罗酮，P. amylolyticus将β-紫罗酮还原为7,8-二氢-β-紫罗醇等烟草香气成分。 |
| Lepista irina | 类胡萝卜素裂解 | — | 过氧化物酶 | 催化 | 首个被报道的具有类胡萝卜素裂解活性的胞外微生物过氧化物酶，在无外加H2O2时也能断裂β-胡萝卜素的C9-C10双键。 |
| Fusarium fujikuroi | 类胡萝卜素裂解 | carX | CarX | 催化 | 在大肠杆菌中表达后，可在15,15'位裂解β-胡萝卜素、torulene、γ-胡萝卜素及β-apo-8-carotenol生成视黄醛。 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素裂解 | SYC2 (Diox1) | SynACO | 催化 | 脱辅基类胡萝卜素氧合酶，裂解β-脱辅基胡萝卜醛等生成视黄醛；晶体结构分辨率2.4 Å。 |
| Nostoc sp. PCC 7120 | 类胡萝卜素裂解 | NosACO (NosDiox2) | NosACO | 催化 | 能裂解不同链长的β-脱辅基胡萝卜醛及醇类生成视黄醛，与SynACO同为膜蛋白。 |
| Arabidopsis thaliana（植物表达体系） | 类胡萝卜素裂解 | AtCCD7, AtCCD8 | AtCCD7、AtCCD8 | 催化 | AtCCD7在9,10位不对称裂解β-胡萝卜素生成β-紫罗酮和C27脱辅基胡萝卜醛，后者被AtCCD8继续裂解为C18化合物和C9二醛。 |
| Crocus sativus（植物表达体系） | 类胡萝卜素裂解 | CsCCD, CsZCD | CsCCD、CsZCD | 催化 | CsCCD在9,10(9',10')位裂解，CsZCD在7,8(7',8')位裂解玉米黄质。 |
关键发现
- 天然香兰素价格约为1000-4000美元/kg，合成香兰素仅10-15美元/kg
- β-紫罗酮的水中嗅阈值低至0.007 ppb
- Microcystis PCC 7806中每分子β-胡萝卜素经7,8(7',8')位对称裂解生成1分子crocetidinal和2分子β-cyclocitral
- 叶黄素经Paenibacillus amylolyticus和Trichosporon asahii混合培养，在60 rpm条件下可实现95%的叶黄素降解，产物包括β-紫罗酮(9.4%)、7,8-二氢-β-紫罗醇(84.2%)、7,8-二氢-β-紫罗酮(3.5%)和3-羟基-β-紫罗酮(2.9%)
- 单独培养时T. asahii生成β-紫罗酮但无还原产物，P. amylolyticus不产生任何挥发物
- 通过培养基优化使烟草香气产量提高近10倍
- 利用介孔硅酸盐吸附剂可回收98%的β-紫罗酮，比商品硅胶回收率提高4.5倍
- 真菌降解β-胡萝卜素实验中，Ischnoderma benzoinum、Marasmius scorodonius和Trametes versicolor的降解率分别为95%、93%和98%，而Cyathus pallidus降解85%但无香气产物
- Marasmius scorodonius胞外酶在60分钟内降解40%的β-胡萝卜素，最适温度27°C、pH 5.0
- Nostoc sp. PCC 7120的NSC1在9,10位裂解β-胡萝卜素和β-apo-8'-carotenal生成β-紫罗酮，NSC2在15,15'位裂解生成视黄醛，NSC3可裂解β-apo-8'-carotenal的9,10位
- Fusarium fujikuroi的CarX在大肠杆菌中表达后可在15,15'位裂解β-胡萝卜素合成视黄醛。
研究结论
微生物发酵和酶催化是生产‘天然’类胡萝卜素衍生香气化合物的可行替代方案，能够提供对映体纯的产物并满足消费者对天然香料的偏好。目前已有多种微生物裂解酶和转化体系被报道，但相关酶学机制和调控仍待阐明，未来可通过新酶挖掘和代谢工程进一步优化产量，并拓展至药物等领域。