Metabolically engineered plant cell cultures as biofactories for the production of high-value carotenoids astaxanthin and canthaxanthin
- 作者
- Bárbara A. Rebelo, M. Rita Ventura, Rita Abranches
- 杂志
- Scientific Reports（2025）
- DOI
- 10.1038/s41598-025-11916-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
天然酮类胡萝卜素（虾青素和角黄素）来源有限、生产成本高，化学合成依赖石化原料且步骤复杂，急需可扩展、可持续、安全的生物生产系统。本研究旨在利用代谢工程改造植物细胞培养物实现高效生产。
研究策略
选用海洋细菌Brevundimonas sp. SD212的β-胡萝卜素酮化酶基因crtW，单独或与玉米psy、泛菌crtI组合，通过农杆菌介导的核转化稳定整合到烟草BY-2细胞中，利用强启动子CaMV 35S驱动表达，并将细菌酶靶向质体，以构建完整的酮类胡萝卜素合成途径。
核心内容
本研究通过代谢工程手段，在非光合的烟草BY-2悬浮细胞中构建了酮类胡萝卜素的稳定生产平台。研究人员将海洋细菌Brevundimonas sp. SD212的β-胡萝卜素酮化酶基因crtW单独或与玉米psy、泛菌crtI组合，借助农杆菌介导的核转化整合至BY-2细胞基因组，并以CaMV 35S启动子驱动表达且将酶靶向质体。结果显示，单独表达crtW即可实现虾青素和角黄素的从头合成，最高产量分别达127 μg g⁻¹ DW和55.1 μg g⁻¹ DW；共表达psy、crtI与crtW后，角黄素产量最高达788 μg g⁻¹ DW，较单基因株提升39倍。进一步引入psy基因使β-胡萝卜素积累量提升约60倍，达5035.8 μg g⁻¹ DW，虾青素含量亦提高1.9倍。所有转基因细胞系生长正常且色素稳定积累。该工作首次证明未分化植物细胞可作为高价值酮类胡萝卜素的可扩展生物工厂，为替代天然提取和化学合成提供了符合GMP要求、环境友好的新途径。
创新点
1) 首次在未分化、非光合的烟草BY-2悬浮细胞中实现酮类胡萝卜素的稳定、可持续生产；2) 利用组合代谢工程策略显著提高角黄素产量，最高达788 μg g⁻¹ DW；3) 提供了一种符合GMP、可放大、环境友好的植物细胞培养平台，作为天然和化学合成途径的替代方案。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana tabacum BY-2 | 类胡萝卜素生物合成（酮类胡萝卜素分支） | crtW | β-胡萝卜素酮化酶（CRTW） | 催化 | 来源于海洋细菌Brevundimonas sp. SD212，催化β-胡萝卜素及其衍生物生成角黄素和虾青素 |
| Nicotiana tabacum BY-2 | 类胡萝卜素生物合成 | psy | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 来源于玉米（Zea mays），催化GGPP缩合生成八氢番茄红素，是类胡萝卜素合成的限速酶 |
| Nicotiana tabacum BY-2 | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱饱和酶（CRTI） | 催化 | 来源于Pantoea ananatis，催化八氢番茄红素多步脱饱和生成番茄红素 |
关键发现
- 在烟草BY-2细胞中单独表达crtW基因可实现酮类胡萝卜素从头合成，虾青素含量最高达127 μg g⁻¹ DW（W29），角黄素最高55.1 μg g⁻¹ DW（W15）。共表达psy、crtI、crtW的YIW135角黄素产量达788 μg g⁻¹ DW，是单基因株W04（20.0 μg g⁻¹ DW）的39倍
- YIW141为279 μg g⁻¹ DW，为14倍。共表达psy与crtW的YW02虾青素含量171.3 μg g⁻¹ DW，比W04（90.8 μg g⁻¹ DW）提高1.9倍、角黄素提高2.4倍。表达psy的细胞系β-胡萝卜素含量显著提升，Y07达5035.8 μg g⁻¹ DW，较野生型（83.6 μg g⁻¹ DW）提高约60倍
- YIW135为2878.4 μg g⁻¹ DW，提高约55倍。所有转基因细胞系保持正常生长和形态，色素稳定积累。
研究结论
本研究通过组合表达细菌crtW和植物psy、细菌crtI，成功在非光合的烟草BY-2悬浮细胞中建立了可扩展、可持续的酮类胡萝卜素生产平台，证明了未分化植物细胞能够作为高价值次生代谢物的生物工厂，为替代天然提取和化学合成提供了新途径。