Carotenoids from microalgae: A review of recent developments
- 作者
- Mengyue Gong, Amarjeet Bassi
- 单位
- Department of Chemical and Biochemical Engineering, Faculty of Engineering, Western University, London ON N6A 5B9, Canada
- 杂志
- Biotechnology Advances（2016）
- DOI
- 10.1016/j.biotechadv.2016.10.005
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微藻类胡萝卜素生产成本高昂，尤其是下游加工（收获、提取、纯化）环节存在瓶颈，难以与传统化学合成及植物提取竞争。
研究策略
系统综述微藻类胡萝卜素生产的最新生物技术进展，涵盖上游培养（光生物反应器、胁迫条件、代谢工程）和下游加工（收获、细胞破壁、提取、纯化），并与化学合成和万寿菊提取工艺进行对比，提出整合生物加工策略。
核心内容
该综述系统梳理了微藻类胡萝卜素生产的最新进展，聚焦于上游培养与下游加工两大环节，指出下游的收获、破壁、提取和纯化是制约整体经济性的关键瓶颈。文章比较了多种胁迫条件、光生物反应器配置及代谢工程策略，并评估了离心、细胞破壁和绿色溶剂提取等技术的适用性。关键数据显示，微藻中叶黄素含量可达4 mg/g以上，远超万寿菊的0.3 mg/g；胁迫条件下某些藻株虾青素含量超过50 mg/g。通过过表达PSY基因，莱茵衣藻类胡萝卜素水平提高2倍；三角褐指藻中DXS转化株的岩藻黄素含量达野生型的2.8倍。经济性分析显示天然虾青素的微藻生产成本可降至700美元/kg，低于合成路线的1000–2000美元/kg。此外，异养培养的Chlorella protothecoides实现了83.8 mg/L叶黄素产率，C. vulgaris在盐光联合胁迫下叶黄素产率提升80%至260 mg/L并成功放大至25,000 L发酵罐。该综述表明，整合优化的培养条件、遗传改造与高效低成本的下游技术是实现微藻类胡萝卜素商业化生产的关键路径，CRISPR/Cas9等基因组编辑工具为进一步提升产量提供了新可能。
创新点
强调下游加工是整体生物加工效率的关键瓶颈；系统比较了多种细胞破壁和提取技术的效率与适用性；探讨了转录工程和基因组编辑工具（如CRISPR/Cas9、TALEN）在提高微藻类胡萝卜素产量方面的潜力。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素生物合成 | PSY (phytoene synthase) | Phytoene synthase | 催化 | 过表达PSY使类胡萝卜素水平提高2倍；PSY是类胡萝卜素生物合成的限速酶。 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素生物合成 | PDS (phytoene desaturase) | Phytoene desaturase | 催化 | 位点定向突变PDS可加速虾青素生物合成。 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素生物合成 | BKT (β-carotene ketolase) | β-Carotene ketolase | 催化 | 在野生型中表达BKT可使其合成原本不存在的酮类胡萝卜素。 |
| Chlorella zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成 | CHYb (β-carotene hydroxylase) | β-Carotene hydroxylase | 催化 | CHYb基因与虾青素过量产生相关。 |
| Phaeodactylum tricornutum | MEP途径 / 类胡萝卜素生物合成 | DXS (DXP synthase) | 1-Deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | DXS转化株岩藻黄素含量为野生型的2.8倍。 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成 | LCYb (lycopene β-cyclase) | Lycopene β-cyclase | 催化 | 氮缺乏增强LCYb酶合成，提高色素沉着速率。 |
| Dunaliella bardawil | 类胡萝卜素生物合成 | 转录因子 (transcription factors) | 转录因子 | 调控 | 转录工程通过改变单个中心调控因子可激活多个途径组分，实现类胡萝卜素增产。 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素生物合成 | CRISPR/Cas9 靶向基因 | Cas9 | 调控 | 利用DNA-free CRISPR/Cas9敲除基因，增强玉米黄质生产。 |
| 微藻（通用） | 类胡萝卜素生物合成 | 类胡萝卜素转运蛋白基因 | 类胡萝卜素转运蛋白 | 转运 | 将生物合成的色素从光系统转运至细胞质可能提高类胡萝卜素产量。 |
| 微藻（通用） | 类胡萝卜素生物合成 | 脂质体/油滴相关蛋白基因 | 脂质体蛋白 | 区室化 | 为过量产生的类胡萝卜素提供储存空间，是提高产量的必要条件之一。 |
关键发现
- ['微藻中叶黄素含量通常超过4 mg/g，而万寿菊中仅约0.3 mg/g
- 某些微藻在胁迫条件下虾青素和β-胡萝卜素含量可超过50 mg/g。', 'Haematococcus pluvialis可积累超过50 mg/g虾青素，C. zofingiensis在盐胁迫和光照限制下产生8.5 mg/g角黄素。', '天然虾青素利用微藻生产估计成本可降至700美元/kg，而合成虾青素成本为1000-2000美元/kg。', '在优化条件下，Chlorella protothecoides以40 g/L葡萄糖异养培养可获得83.8 mg/L叶黄素产率
- C. vulgaris在盐和光联合胁迫下叶黄素产率可提高80%至260 mg/L，并能放大至25,000 L发酵罐。', '通过过表达PSY基因，Chlamydomonas reinhardtii的类胡萝卜素水平提高2倍
- Phaeodactylum tricornutum中DXS转化株的岩藻黄素含量为野生型的2.8倍。', '收获环节占微藻生产总成本的20%-30%，离心可在2-5分钟内回收超过80%的微藻细胞。']
研究结论
微藻是类胡萝卜素的重要天然来源，但实现经济可行的商业生产需整合优化的上游培养与高效低成本的下游加工技术。未来研究应聚焦于开发绿色低能耗的收获和提取方法，同时借助代谢工程、转录工程及基因组编辑工具进一步提高目标类胡萝卜素的产量和稳定性。