Prospects and progress in the production of valuable carotenoids: Insights from metabolic engineering, synthetic biology, and computational approaches
- 作者
- Sankari Mohan, Priya Rajendra Rao, Hridya Hemachandran, Phani Kumar Pullela, George Priya Doss C, Iftikhar Aslam Tayubi, Babu Subramanian, Gothandam KM, Pooja Singh, Siva Ramamoorthy
- 单位
- School of BioSciences and Technology, VIT University, Vellore, 632014 Tamil Nadu, India; Department of Chemistry, CMRIT, Bengaluru, India; Faculty of Computing and Information Technology Rabigh, King Abdulaziz University, Jeddah 21911, Saudi Arabia; Centre for Biotechnology in Agriculture Research, University of Malaya, Kuala Lumpur, Malaysia
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2017.12.010
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过代谢工程、合成生物学和计算生物学方法提高具有重要工业价值的类胡萝卜素的产量。
研究策略
综述类胡萝卜素生物合成途径及其关键酶，总结代谢工程在作物营养强化和提高胁迫抗性方面的应用，介绍合成生物学方法和理论生物学/计算方法，并提出组合策略以提高类胡萝卜素产量。
核心内容
类胡萝卜素是一类具有重要工业价值的天然色素，但其微生物与植物来源的产量受到多酶协同和复杂调控网络的限制。该综述系统梳理了类胡萝卜素生物合成途径中的关键酶及其进化保守性，例如CRTISO在拟南芥与Synechococcus PCC7942间序列同一性为79%和65%，而番茄LCY-β与LCY-ε仅共享30%的氨基酸同一性，揭示了不同物种间催化机制的差异。研究总结了代谢工程策略在作物营养强化和胁迫抗性提升中的应用，如过表达限速酶PSY可在水稻胚乳中显著促进番茄红素积累；同时整合合成生物学手段重建异源途径，并引入计算模型预测代谢通量瓶颈。关键发现指出，PSY是类胡萝卜素合成的主要限速节点，而理论生物学方法能够辅助设计最优的基因组合与表达调控策略。将实验数据驱动的模型与多基因协同改造相结合，有望突破现有产量瓶颈，为工业规模高效生产类胡萝卜素提供可行路径。该工作强调了代谢工程、合成生物学与计算生物学方法的互补性，为后续菌株和作物品种的定向优化提供了系统性的理论框架与操作指南。
创新点
将代谢工程、合成生物学和计算生物学方法整合，强调理论模型与实验策略相结合以优化类胡萝卜素的工业生产。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | phytoene synthase | 催化 | 表达水仙PSY基因后，水稻胚乳中积累番茄红素。 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-β | lycopene β-cyclase | 催化 | 催化番茄红素环化为β-胡萝卜素；下调表达导致果实中番茄红素积累。 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | CRTISO | carotenoid isomerase | 催化 | 催化四顺式番茄红素转变为全反式番茄红素；与Synechococcus PCC7942同源蛋白有65%同一性。 |
| 大肠杆菌 | 类异戊二烯前体合成 | idi | isopentenyl diphosphate isomerase | 催化 | IPP异构酶，额外拷贝可增强类胡萝卜素色素积累。 |
| 辣椒 | 类异戊二烯前体合成 | GGPPS | geranylgeranyl pyrophosphate synthase | 催化 | cDNA编码369个氨基酸，定位于质体，参与GGPP合成。 |
| 玉米 | 类胡萝卜素生物合成 | PSY1, PSY2, PSY3 | phytoene synthase | 催化 | 三个基因组织特异性表达，PSY3响应非生物胁迫。 |
| Synechococcus PCC7942 | 类胡萝卜素生物合成 | CRTISO | carotenoid isomerase | 催化 | 与拟南芥CRTISO有65%同一性，长度为474个氨基酸。 |
| 烟草 | 类胡萝卜素生物合成 | ZEP | zeaxanthin epoxidase | 催化 | 催化玉米黄质环氧化为紫黄质；与辣椒ZEP有88%序列同一性。 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | phytoene desaturase | 催化 | 催化八氢番茄红素去饱和产生ζ-胡萝卜素；在大肠杆菌中表达可形成ζ-胡萝卜素。 |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素降解 | CCD1 | carotenoid cleavage dioxygenase 1 | 催化 | 在9,10和9',10'位氧化裂解类胡萝卜素生成脱辅基类胡萝卜素。 |
关键发现
- 数据库收录1117种已知天然类胡萝卜素，其中683种已明确来源生物
- CRTISO基因在拟南芥和Synechococcus PCC7942之间序列同一性分别为79%和65% (长度分别为566和474个氨基酸)
- 番茄LCY-β与LCY-ε的氨基酸序列只有30%同一性
- 辣椒与烟草的ZEP蛋白有88%序列同一性
- GGPPS cDNA编码369个氨基酸的蛋白
- PSY是类胡萝卜素合成的关键限速酶，其过表达可在水稻胚乳中促进番茄红素积累。
研究结论
类胡萝卜素生物合成受多酶协同与复杂调控，代谢工程和合成生物学是提高产量的有效手段；将理论计算与实验策略结合，有望实现工业规模的高效生产。