Engineering novel carotenoids in microorganisms
- 作者
- Claudia Schmidt-Dannert
- 单位
- Department of Biochemistry, Molecular Biology and Biophysics, University of Minnesota, 140 Gortner Laboratory, St. Paul, MN 55108, USA
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2000）
- DOI
- 10.1016/0958-1669(00)00093-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用越来越多的微生物和植物类胡萝卜素生物合成基因，在非产类胡萝卜素的微生物（如大肠杆菌和酵母）中工程化合成结构多样的、高价值的类胡萝卜素，并提高产量以满足医疗和商业需求
研究策略
综述类胡萝卜素生物合成基因的克隆与异源表达，重点总结通过基因组合构建新合成途径、利用DNA改组进行分子育种改造关键酶（如八氢番茄红素脱氢酶和番茄红素环化酶），以及代谢工程改造前体供给（如过表达IDP异构酶、GGDP合酶、dxs等）提高产量的策略
核心内容
该综述系统总结了如何在非产类胡萝卜素微生物（如大肠杆菌和酵母）中工程化合成结构多样的高价值类胡萝卜素。研究策略包括：将不同物种的crt基因组合重构合成途径，在大肠杆菌中成功产生番茄红素、玉米黄素、虾青素及α-胡萝卜素等；利用DNA改组对八氢番茄红素脱氢酶和番茄红素环化酶进行体外进化，产生新的无环和环状类胡萝卜素，并改变环状与无环产物的积累比例。代谢工程改造前体供给可显著提升产量，过表达IDP异构酶和古菌多功能GGDP合酶使虾青素产量提高50倍，共表达dxs和idi使β-胡萝卜素和玉米黄素产量达约1.5 mg/g干重。在产朊假丝酵母中过表达HMG-CoA还原酶并敲除ERG9基因，番茄红素产量达7.8 mg/g干重。此外，组合七种不同来源的crt基因合成出astaxanthin-β-D-diglucoside等新糖苷类化合物。尽管重组大肠杆菌的产量（10-500 μg/g干重）远低于商业产类胡萝卜素菌株（约50 mg/g干重），但通过基因组合和分子育种策略，已在非天然宿主中实现了类胡萝卜素结构与产量的重要突破，为高价值类胡萝卜素的医药和商业应用开辟了新途径。
创新点
['将不同物种的crt基因组合在大肠杆菌中重构出新类胡萝卜素合成途径，产生包括番茄红素、玉米黄素、虾青素等多种产物', '利用植物ε-环化酶与β-环化酶共表达在大肠杆菌中合成α-胡萝卜素', '通过DNA改组（分子育种）对crtI和crtY进行体外进化，产生新的无环和环状类胡萝卜素', '过表达idi和gbs使大肠杆菌虾青素产量提高50倍；共表达dxs和idi使β-胡萝卜素和玉米黄素产量达到1.5 mg/g干重', '在产朊假丝酵母中过表达HMG-CoA还原酶并敲除ERG9基因，实现番茄红素7.8 mg/g干重的产量', '组合七种不同来源的crt基因在大肠杆菌中合成新的类胡萝卜素葡萄糖苷（如astaxanthin-β-D-diglucoside）']
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 | crtE | GGDP合酶 | 催化 | 来自Erwinia，催化异戊二烯前体合成GGDP |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化两分子GGDP缩合形成八氢番茄红素 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 不同来源可引入2至5个双键，分别生成ζ-胡萝卜素、神经孢子烯或番茄红素；也是DNA改组的目标酶之一 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成 | crtY | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 可将番茄红素、神经孢子烯和ζ-胡萝卜素环化；来自Erwinia或植物 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成 | crtZ | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化β-胡萝卜素C(3)位羟基化，参与玉米黄素合成；不同来源的crtZ底物特异性有差异 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成 | crtW | β-胡萝卜素C(4)加氧酶 | 催化 | 催化C(4)位酮化，参与虾青素和角黄素合成；来自Agrobacterium或Haematococcus等 |
| Escherichia coli | 异戊二烯前体合成 | idi | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 催化IDP异构化为DMADP，过表达可提高类胡萝卜素前体供应 |
| Escherichia coli | 异戊二烯前体合成 | gbs | 古菌多功能GGDP合酶 | 催化 | 可直接将IDP和DMADP转化为GGDP，与idi共表达使虾青素产量提高50倍 |
| Escherichia coli | 异戊二烯前体合成 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 过表达与idi共表达使β-胡萝卜素和玉米黄素产量达1.5 mg/g干重 |
| Candida utilis | 甲羟戊酸途径 | HMG-CoA还原酶 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 过表达以增加异戊二烯前体通量 |
| Candida utilis | 甾醇生物合成 | ERG9 | 鲨烯合酶 | 催化 | 敲除ERG9阻断麦角固醇合成，将碳流导向番茄红素，产量达7.8 mg/g干重 |
关键发现
['重组大肠杆菌中类胡萝卜素产量仅为10-500 μg/g细胞干重，而商业产类胡萝卜素菌株（Dunaliella, Haematococcus, Xanthophyllomyces dendrorhous）产量可达50 mg/g干重', '过表达IDP异构酶（idi）和古菌多功能GGDP合酶（gbs）后，大肠杆菌虾青素产量增加50倍', '共表达dxs和idi，大肠杆菌β-胡萝卜素和玉米黄素产量可达约1500 μg/g干重（1.5 mg/g）', '在Candida utilis中过表达HMG-CoA还原酶并破坏ERG9基因，番茄红素产量达7.8 mg/g干重', 'DNA改组crtI和crtY可在E. coli中产生新类胡萝卜素，并改变环状/无环类胡萝卜素的积累比例', "组合crtE, crtB, crtI, crtY, crtX（来自Erwinia）、crtW（来自Agrobacterium aurantiacum）和crtZ（不同来源），在大肠杆菌中合成了astaxanthin-β-D-diglucoside和adoxinanthin 3'-β-D-glucoside等新糖苷"]
研究结论
类胡萝卜素生物合成基因的大量克隆和功能异源表达，结合基因组合和分子育种（如DNA改组）策略，已能在非产类胡萝卜素微生物中合成结构多样的天然及新型类胡萝卜素；代谢工程改造异戊二烯前体供应可显著提高产量（如C. utilis中番茄红素7.8 mg/g干重），为高价值类胡萝卜素的医药和商业应用开辟了道路