Production of squalene by microbes: an update
- 作者
- Wen Xu, Xi Ma, Yang Wang
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/11274-016-2155-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
角鲨烯的传统来源（如鲨鱼肝脏和植物）供应不稳定，需要开发微生物发酵生产角鲨烯的方法。
研究策略
综述了通过筛选高产角鲨烯微生物、优化发酵条件以及代谢工程改造（如调控基因表达、阻断分支途径）等策略来提高微生物产角鲨烯能力的研究进展。
核心内容
角鲨烯传统上主要来源于鲨鱼肝脏和植物，供应不稳定，微生物发酵被视为潜在的替代路径。该综述系统梳理了通过菌株筛选、发酵优化和代谢工程改造提升微生物角鲨烯产量的研究进展。代谢工程策略集中于增强前体供给、阻断分支途径以及引入异源合成酶，例如在大肠杆菌中共表达dxs和idi并引入异源hop基因，或整合嵌合MVA途径与角鲨烯合酶，使产量最高达到230 mg/L或55 mg/g DCW；在集胞藻PCC 6803和沼泽红假单胞菌中敲除shc基因阻断角鲨烯向下游转化，角鲨烯积累分别达野生型的70倍和27倍，后者进一步融合crtE/hpnD并共表达dxs后产量提升至15.8 mg/g DCW，为野生型的112倍。此外， Aurantiochytrium sp. 18W-13a经培养4天可产1.29 g/L角鲨烯，酿酒酵母EGY48经特比萘芬和茉莉酸甲酯处理后产量达20.70 mg/L。综述认为，尽管微生物发酵前景可观，现有产量仍不足以支撑商业化，未来需通过强化前体代谢流、精细调控分支途径以及优化蛋白表达等手段继续提升产率。
创新点
系统总结了近年来微生物生产角鲨烯的多种策略，并对比了不同菌株和改造方法的产量数据。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路/麦角固醇合成 | ERG1 | squalene epoxidase | 催化 | 点突变降低酶活性，提高角鲨烯积累，最高超过1000 mg/10^9细胞 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路 | HMG2 | HMG-CoA reductase | 催化 | K6R稳定突变使角鲨烯含量比野生型高20倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 麦角固醇合成 | ERG6 | C-24 sterol methyltransferase | 催化 | 删除后未增强角鲨烯积累（与HMG2结合） |
| Escherichia coli | MEP通路 | dxs | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 共表达idi提高角鲨烯产量至11.8 mg/L |
| Escherichia coli | MEP通路 | idi | isopentenyl diphosphate isomerase | 催化 | 与dxs共表达促进前体供给 |
| Escherichia coli | 角鲨烯合成 | hopA, hopB, hopD | 来源于Streptomyces peucetius的角鲨烯合成酶 | 催化 | 异源表达，产量4.1 mg/L，结合dxs和idi共表达达11.8 mg/L |
| Escherichia coli | 角鲨烯三步合成途径 | PSPPS, HSQS, SQS | presqualene diphosphate synthase, hydroxysqualene synthase, squalene synthase | 催化 | 引入细菌三酶途径 |
| Escherichia coli | MVA通路和角鲨烯合成 | human SQS 或 Thermosynechococcus SQS | squalene synthase | 催化 | 与嵌合MVA途径共表达，产量达230 mg/L |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP通路/类异戊二烯合成 | slr2089 (shc) | squalene hopene cyclase | 催化 | 敲除后角鲨烯积累3.16 mg/g DCW，为野生型70倍以上 |
| Rhodopseudomonas palustris | MEP通路/类异戊二烯合成 | shc | squalene hopene cyclase | 催化 | 敲除后产量3.8 mg/g DCW，为野生型27倍 |
| Rhodopseudomonas palustris | 角鲨烯合成 | crtE, hpnD | FPP synthase 和 squalene synthase（推测） | 催化 | 融合表达优于共表达，结合dxs共表达使产量达15.8 mg/g DCW（112倍） |
| Chlamydomonas reinhardtii | MEP通路/角鲨烯合成 | CrSQS | squalene synthase | 催化 | 过表达未增加角鲨烯含量 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 甾醇合成 | CrSQE | squalene epoxidase | 催化 | 敲低后角鲨烯含量达0.9-1.1 μg/mg DCW |
关键发现
- Aurantiochytrium sp. 18W-13a菌株培养4天后产生198 mg/g DCW和1.29 g/L角鲨烯
- Aurantiocytrium sp. Yonez 5-1经筛选产317.74 mg/g DCW
- S. cerevisiae EGY48经特比萘芬和茉莉酸甲酯处理后角鲨烯含量达10.02 mg/g DCW、产量20.70 mg/L
- Torulaspora delbrueckii产237.25 mg/g DCW
- Aurantiochytrium mangrovei FB3经优化生物量达21.2 g/L，角鲨烯含量提高36%-40%
- Aurantiochytrium sp. BRMP4-A1优化氮源后产量5.90 mg/L
- Synechocystis sp. PCC 6803敲除shc基因后角鲨烯积累达3.16 mg/g DCW，为野生型70倍以上
- Rhodopseudomonas palustris敲除shc后产3.8 mg/g DCW（27倍），融合crtE/hpnD并共表达dxs后产量达15.8 mg/g DCW（112倍）
- Chlamydomonas reinhardtii敲低CrSQE后角鲨烯达0.9-1.1 μg/mg DCW
- E. coli共表达dxs和idi及异源hop基因产量达11.8 mg/L，引入嵌合MVA途径和human/Thermosynechococcus SQS后产量达230 mg/L或55 mg/g DCW。
研究结论
微生物发酵是商业生产角鲨烯的潜在替代方法，但当前产量仍不足以满足商业化需求；未来需通过增强前体供给、阻断分支途径及优化蛋白表达等代谢工程策略进一步提高产量。