Mining terpenoids production and biosynthetic pathway in Thraustochytrids
- 作者
- Yunxuan Xie, Biswarup Sen, Guangyi Wang
- 单位
- Center for Marine Environmental Ecology, School of Environmental Science & Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
- 杂志
- Bioresource Technology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2017.05.002
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
系统挖掘破囊壶菌（Thraustochytrids）生产类萜（类胡萝卜素、角鲨烯）的潜力及其生物合成途径，解析分子机制以提高产量。
研究策略
综述了破囊壶菌的菌株筛选、发酵条件优化、类萜生物合成途径的分子机制、相关调控因素（碳氮比、氧化应激、光照、碳分配）以及遗传操作和生物信息学分析，提出了系统级代谢工程策略。
核心内容
该研究系统梳理了破囊壶菌生产类萜（角鲨烯与类胡萝卜素）的潜力与生物合成机制，整合菌株筛选、发酵优化与分子解析。通过调控碳氮比、光照、氧化应激及碳分配等条件，获得关键产量数据：如Schizochytrium mangrovei PQ6在优化发酵下角鲨烯达1.019 g/L，Schizochytrium sp. KH105在碳氮比约33时虾青素和角黄素分别达10 mg/g和6.1 mg/g干重；红光LED使β-胡萝卜素从2.20增至10.78 mg/g，表达透明颤菌血红蛋白使虾青素产量提高近10倍。研究还揭示了FPP合酶与角鲨烯合酶保守结构域，并在Candida utilis中通过过表达HMG-CoA还原酶并破坏ERG9实现类胡萝卜素7.8 mg/g干重。结果表明破囊壶菌具备商业生产类萜的潜力，但分子机制认知仍不完善，需进一步鉴定关键酶并开发高效遗传工具，通过系统级代谢工程实现高产菌株改良。
创新点
将发酵研究和分子机制研究相结合，揭示了破囊壶菌中关键酶（如FPP合酶、角鲨烯合酶）的保守结构域，并提出了通过遗传操作和调控碳代谢流提升类萜产量的平台。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Thraustochytrids | 类萜生物合成（甲羟戊酸途径） | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化两分子法尼基焦磷酸（FPP）缩合生成角鲨烯 |
| Aurantiochromium sp. | 类萜生物合成 | FPP synthase | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP和DMAPP合成FPP，是类萜前体合成的关键酶 |
| Schizochytrium sp. | 类胡萝卜素生物合成 | crtW, crtZ | 酮醇酶、羟化酶 | 催化 | 负责β-胡萝卜素向虾青素转化的酮化和羟化步骤 |
| Phaffia rhodozyma | 类胡萝卜素生物合成 | crtS | P450单加氧酶 | 催化 | 单一酶同时催化β-胡萝卜素的酮化和羟化反应 |
| Schizochytrium sp. | 甲羟戊酸途径 | HMG-CoA reductase | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 甲羟戊酸途径的限速酶，过表达可提高类萜产量 |
| Schizochytrium sp. | 糖酵解 | pyk, gapA | 丙酮酸激酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 糖酵解关键酶，转录上调促进NADH和中间产物生成 |
| Aurantiocytrium sp. | 氧代谢 | vgb | 透明颤菌血红蛋白（VHb） | 转运 | 表达VHb提高细胞氧利用效率，虾青素产量增加近10倍 |
| Schizochytrium sp. | 脂肪酸与类萜竞争途径 | ACC | 乙酰-CoA羧化酶 | 催化 | 指数期末期活性下降，促使乙酰-CoA流向类萜生物合成 |
| Candida utilis | 甲羟戊酸途径 | ERG9 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 破坏ERG9结合过表达HMG-CoA还原酶，类胡萝卜素产量达7.8 mg/g干重 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 角鲨烯生物合成 | SQE | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 敲低角鲨烯环氧酶导致角鲨烯显著积累，且无生长抑制 |
关键发现
- 发酵优化可获得高产：Schizochytrium mangrovei PQ6在90 g/L葡萄糖、10 g/L酵母提取物、17.5 g/L人工海水、28°C条件下角鲨烯产量达1.019 g/L
- Aurantiochromium sp. 18W-13a角鲨烯产量为1.0737 g/L
- Schizochytrium sp. KH105在碳氮比约33时astaxanthin和canthaxanthin分别达10 mg/g和6.1 mg/g（干重），利用烧酒蒸馏废水培养5天虾青素产量为7.7 mg/L
- 添加0.03 mM没食子酸丙酯使Schizochytrium sp. S31虾青素产量达452.26 μg/L
- Schizochytrium sp. DZAM在红光LED下β-胡萝卜素从2.20 mg/g增至10.78 mg/g，UV下进一步增至12.92 mg/g
- 1 mM甲基茉莉酸使Schizochytrium mangrovei角鲨烯含量48小时提高1.6倍
- 表达透明颤菌血红蛋白（VHb）使Aurantiocytrium sp.虾青素产量提高近10倍
- 在Candida utilis中过表达HMG-CoA还原酶并破坏角鲨烯合酶基因ERG9使类胡萝卜素产量达7.8 mg/g干重。
研究结论
破囊壶菌具有作为商业类萜生产微生物工厂的巨大潜力，但对其类萜生物合成的分子机制认识仍不完善，需要进一步鉴定关键合酶和途径酶，并开发高效的遗传操作工具，通过系统级代谢工程实现菌株改良和高产。