高级醇 · 代谢工程文献库

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Astaxanthin production in a model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803

作者
Naoya Shimada, Yukiko Okuda, Kaisei Maeda, Daisuke Umeno, Shinichi Takaichi, Masahiko Ikeuchi
单位
Department of Life Sciences (Biology), The University of Tokyo; Department of Bioscience, Faculty of Life Sciences, Tokyo University of Agriculture; Department of Applied Chemistry and Biotechnology, Chiba University; Department of Molecular Microbiology, Faculty of Life Sciences, Tokyo University of Agriculture; Faculty of Education and Integrated Arts and Sciences, Waseda University
杂志
The Journal of General and Applied Microbiology（2020）
DOI
10.2323/jgam.2020.01.003
所属领域
代谢工程
关键词
astaxanthincyanobacteriametabolic engineeringphototrophic growth
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解决的核心问题

如何在模式蓝藻 Synechocystis sp. PCC 6803 中实现虾青素的异源生产，并解决由此导致的光合生长受抑和产量瓶颈问题

研究策略

通过导入海洋细菌 Brevundimonas sp. SD212 的 crtW 和 crtZ 基因在 Synechocystis 中构建虾青素合成途径，利用葡萄糖和 DCMU 维持异养生长；并在此基础上过表达内源 dxs 和 pds 基因以增强类胡萝卜素前体供应。

研究路线图

100%
核心问题：蓝藻异源合成虾青素
策略：导入异源crtW/crtZ基因
改造①：构建crtWZ菌株
改造②：过表达dxs/pds基因
结果①：虾青素积累但光合受抑
结果②：dxs/pds提升总类胡萝卜素
结论：需克服CrtZ毒性及活性限制
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核心内容

该研究在模式蓝藻集胞藻PCC 6803中实现了虾青素的异源生产。研究人员从海洋细菌Brevundimonas sp. SD212中导入crtW和crtZ基因构建合成途径，并利用葡萄糖和DCMU维持异养生长以克服光合抑制，同时尝试过表达内源dxs和pds基因增强前体供应。结果显示，crtWZ菌株总类胡萝卜素含量约为野生型的2倍，原生的β-胡萝卜素和玉米黄素消失，积累了虾青素和酮基海胆酮；光照促进二者进一步积累。然而，crtZ表达导致光自养生长丧失，抑制子分析揭示CrtZ毒性主要抑制光系统II放氧，CrtW本身不致命。过表达dxs/pds使总类胡萝卜素达到3.937 μg/mL/OD730，为野生型的2.64倍，但增加的主要是3'-hydroxyechinenone和echinone而非虾青素，说明前体供应增强未能定向提升目标产物。该工作首次在模式蓝藻中建立虾青素合成，但揭示CrtZ毒性和CrtW/CrtZ活性不足是限制高效生产的关键瓶颈，为后续定向改造提供了重要靶点。

创新点

首次在模式蓝藻中利用异源 crtW/crtZ 实现虾青素积累并揭示光照对积累的影响；发现 crtZ 表达导致光自养生长丧失，通过异养条件维持；过表达 dxs/pds 使总类胡萝卜素含量提升 2.64 倍。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Synechocystis sp. PCC 6803 虾青素生物合成途径 crtW CrtW 催化 来自海洋细菌 Brevundimonas sp. SD212，β-胡萝卜素酮化酶，异源表达
Synechocystis sp. PCC 6803 虾青素生物合成途径 crtZ CrtZ 催化 来自海洋细菌 Brevundimonas sp. SD212，β-胡萝卜素羟化酶，异源表达，对光系统II有毒
Synechocystis sp. PCC 6803 MEP 通路 dxs Dxs 催化 内源基因 sll1945，1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶，过表达
Synechocystis sp. PCC 6803 类胡萝卜素生物合成途径 pds Pds 催化 内源基因 sll1254，八氢番茄红素脱饱和酶，过表达

关键发现

  1. crtWZ 菌株总类胡萝卜素含量约为野生型的 2 倍，β-胡萝卜素和玉米黄素消失，出现大量虾青素和酮基海胆酮；光照下虾青素和酮基海胆酮进一步积累，但类胡萝卜素/叶绿素比率低于暗处；过表达 dxs 无正向效果，而过表达 dxs/pds 在光下使总类胡萝卜素达到
  2. 937 μg/mL/OD730，为野生型的
  3. 64 倍，但增加的主要是 3'-hydroxyechinenone 和 echinone 而非虾青素；crtWZ 菌株不能在无 DCMU 的光照下生长，抑制子分析显示 crtZ 突变是毒性的主要原因，抑制光系统 II 放氧；crtW 本身可能不致命。

研究结论

通过异源表达 crtW/crtZ 可在蓝藻中产生虾青素，但因 β-胡萝卜素和玉米黄素被大量转化，导致光自养生长受阻；要实现高效虾青素生产，必须克服 CrtZ 的毒性以及 CrtW/CrtZ 活性对虾青素积累的限制。