Metabolic engineering for the microbial production of marine bioactive compounds
- 作者
- Xiangzhao Mao, Zhen Liu, Jianan Sun, Sang Yup Lee
- 单位
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, KAIST, Daejeon, Republic of Korea; College of Food Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao, People's Republic of China
- 杂志
- Biotechnology Advances（2017）
- DOI
- 10.1016/j.biotechadv.2017.03.001
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
海洋生物活性化合物传统提取方法（如溶剂萃取、化学合成）成本高、效率低且不环保，难以满足日益增长的需求。需要开发高效的微生物合成方法。
研究策略
系统综述了代谢工程和合成生物学在微生物生产海洋生物活性化合物（萜类及其衍生物、ω-3多不饱和脂肪酸、海洋天然药物）中的应用策略，包括在天然生产者或异源宿主中过表达/敲除关键基因、组合诱变与代谢工程、以及发酵优化等。
核心内容
该综述系统梳理了代谢工程与合成生物学在微生物生产海洋生物活性化合物方面的应用进展，聚焦于萜类衍生物（如角鲨烯、虾青素、岩藻黄质）及ω-3多不饱和脂肪酸等目标产物。作者总结了在天然生产者与异源宿主中进行的关键基因过表达或敲除、组合诱变、发酵优化等策略，并系统比较不同宿主与路径改造下的产量。典型案例包括在酿酒酵母中过表达HMG1使角鲨烯产量达191.9 mg/L；在大肠杆菌中共表达人源角鲨烯合酶与嵌合甲羟戊酸途径，产量提升至230 mg/L，相当于54,000 μg/g细胞干重；而在沼泽红假单胞菌中敲除shc并结合过表达，使角鲨烯产量较野生型提高112倍，达15,800 μg/g细胞干重。虾青素方面，法夫酵母经诱变与代谢工程后产量达9700 μg/g细胞干重，副球菌中达480 mg/L。该综述表明，代谢工程已在海洋活性化合物微生物制造中取得显著成效，但仍以个案优化为主，未来需借助系统代谢工程与合成生物学工具实现更高产量和更广产物覆盖，尤其对复杂海洋天然药物而言。
创新点
首次全面综述了海洋天然药物的代谢工程生产，系统比较了不同宿主（如大肠杆菌、酵母、微藻等）和不同策略下的产量，为后续研究提供了参考。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMG1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 过表达HMG1使角鲨烯产量达191.9 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 麦角固醇合成途径 | ERG1 | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 点突变降低ERG1活性，使角鲨烯积累超过1000 μg/10^9细胞 |
| Escherichia coli | MEP途径 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 过表达dxs和idi，并异源表达hopA/hopB/hopD，角鲨烯产量达11.8 mg/L |
| Escherichia coli | 嵌合甲羟戊酸途径 | idi | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 与多种MVA途径基因共表达，支持角鲨烯合成 |
| Escherichia coli | 虾青素生物合成途径 | crtE | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 组合Pantoea ananatis crtEIB等基因，虾青素产量达6600 μg/g DCW |
| Escherichia coli | 虾青素生物合成途径 | crtW | β-胡萝卜素4,4'-酮化酶 | 催化 | 来自Brevundimonas sp.的crtW用于虾青素合成 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 虾青素生物合成途径 | CrtS | 虾青素合酶 | 催化 | 在诱变菌株中过表达CrtS，结合发酵优化，虾青素产量达27.8 mg/L（1200 μg/g DCW） |
| Phaeodactylum tricornutum | 类胡萝卜素生物合成途径 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 额外拷贝dxs使岩藻黄质产量达24,200 μg/g DCW |
| Rhodopseudomonas palustris | 角鲨烯生物合成途径 | shc | 角鲨烯-藿烯环化酶 | 催化 | 敲除shc并过表达crtE、hpnD、dxs，角鲨烯产量达15,800 μg/g DCW，为野生型的112倍 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | bkt | β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | 过表达bkt使虾青素产量达4990 μg/g DCW |
| Chlamydomonas reinhardtii | 角鲨烯生物合成途径 | CrSQE | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 敲低CrSQE使表达量降低59%-76%，角鲨烯产量达900-1100 μg/g DCW |
关键发现
- 本文报道了多项具体产量：在酿酒酵母中过表达HMG1使角鲨烯产量达到191.9 mg/L
- 在大肠杆菌中共表达人角鲨烯合酶和嵌合MVA途径使角鲨烯产量达到230 mg/L（54,000 μg/g DCW）
- 在Xanthophyllomyces dendrorhous中结合诱变和代谢工程使虾青素产量达到9700 μg/g DCW
- 在大肠杆菌中组合不同来源的虾青素途径基因使产量达到6600 μg/g DCW
- 在Phaeodactylum tricornutum中额外拷贝dxs使岩藻黄质产量达到24,200 μg/g DCW
- 在Rhodopseudomonas palustris中敲除shc并过表达相关基因使角鲨烯产量较野生型提高112倍，达15,800 μg/g DCW
- 在Paracoccus sp.中通过随机诱变和代谢工程使虾青素产量达到480 mg/L（8000 μg/g DCW）。
研究结论
代谢工程已在微生物生产海洋生物活性化合物方面取得显著进展，但多数研究仍为产品特异性案例，缺乏系统级策略。未来需结合系统代谢工程和合成生物学工具以提高产量并拓展产物范围，尤其对于海洋天然药物的生产。