Microbial production strategies and applications of lycopene and other terpenoids
- 作者
- Tian Ma, Zixin Deng, Tiangang Liu
- 单位
- 武汉大学药学院组合生物合成与新药发现教育部重点实验室; 武汉生物技术研究院湖北省合成微生物工程实验室; 湖北省工业发酵协同创新中心
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s11274-015-1975-2
- 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
植物来源萜类化合物提取和化学合成成本高、技术难度大，需要开发高效、经济、可持续的微生物生产方法。
研究策略
综述了通过代谢工程改造微生物（尤其是大肠杆菌和酵母）生产萜类化合物（特别是番茄红素）的策略，包括引入外源MVA/MEP途径、调控限速酶、敲除竞争途径、启动子/拷贝数/基因顺序优化、途径平衡、辅因子工程和宿主工程等。
核心内容
该文系统综述了通过代谢工程改造微生物生产番茄红素等萜类化合物的策略与应用进展。研究重点围绕大肠杆菌和酵母等模式菌株，采用引入外源甲羟戊酸（MVA）或甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径、调控限速酶表达、敲除竞争途径、优化启动子与基因拷贝数、平衡全途径通量以及辅因子工程等手段提升目标产物积累。综述指出，在大肠杆菌中引入酿酒酵母的MVA途径可使前体产量提高36倍；通过敲除gdhA、aceE、fdhF等竞争基因并结合补料分批发酵，番茄红素产量可达1.44 g/L，而进一步实施NADPH与ATP辅因子工程后产量提升76%，达到3.52 g/L（50.6 mg/g细胞干重）。此外，不同宿主展示了各异的生产潜力，链霉菌中番茄红素产量高达82 mg/g细胞干重，大肠杆菌β-胡萝卜素最高产量为72.6 mg/g细胞干重。这些结果说明，组合运用多种代谢工程策略可显著增强微生物合成高价值萜类化合物的效率，为替代植物提取和化学合成提供了可持续的经济可行路线，未来合成微生物有望成为萜类化合物的主要来源。
创新点
系统总结了多种代谢工程策略，并强调了体外重构系统指导的靶向工程、全途径平衡、进化工程等前沿方法。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP途径 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径限速酶，过表达可提高前体产量 |
| Escherichia coli | MEP途径 | idi | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | IPP异构酶，对通量有显著影响 |
| Escherichia coli | MEP途径 | dxr | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | MEP途径限速酶 |
| Escherichia coli | MVA途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MVA途径限速酶 |
| Escherichia coli | MVA途径 | mvaK, mvaD, etc. | 甲羟戊酸激酶等 | 催化 | 引入酿酒酵母完整MVA途径使前体产量提高36倍 |
| Escherichia coli | 番茄红素合成途径 | crtE | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | GGPP合成是限速步骤，crtE基因选择重要 |
| Escherichia coli | 番茄红素合成途径 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化两分子GGPP缩合形成八氢番茄红素 |
| Escherichia coli | 番茄红素合成途径 | crtI | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素 |
| Escherichia coli | 竞争途径 | gdhA, aceE, fdhF | 谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶E1、甲酸脱氢酶 | 调控 | 敲除这些基因减少竞争通量，产量提高约40% |
| Escherichia coli | 能量代谢 | appY, crl, rpoS | 转录调控因子 | 调控 | 过表达可增强番茄红素积累，分别缓解能量限制、疏水性保护等 |
| Escherichia coli | 辅因子工程 | talB, etc. | 转醛醇酶等 | 能量供给 | 调节NADPH和ATP供给，产量提高76% |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 | — | — | 催化 | 天然酵母生产萜类的主要途径 |
| Candida utilis | 番茄红素合成途径 | crtE, crtB, crtI | GGPP合酶、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 产番茄红素0.758 mg/g cdw |
| Yarrowia lipolytica | 番茄红素合成途径 | — | — | 催化 | 补料分批发酵产量16 mg/g cdw |
| Streptomyces avermitilis | 番茄红素合成途径 | — | — | 催化 | 摇瓶发酵产量82 mg/g cdw |
| Pichia pastoris | 番茄红素合成途径 | — | — | 催化 | 补料分批发酵产量4.6 mg/g cdw |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 虾青素合成途径 | crtYB, crtI, crtW, crtZ | 双功能八氢番茄红素合酶/脱饱和酶、八氢番茄红素脱饱和酶、β-胡萝卜素羟化酶等 | 催化 | 补料分批发酵虾青素产量9.7 mg/g cdw |
关键发现
- 在大肠杆菌中引入酿酒酵母的MVA途径使前体产量提高36倍
- 敲除gdhA、aceE、fdhF的大肠杆菌菌株番茄红素产量达6.6 mg/g细胞干重，较亲本提高约40%
- 通过全途径平衡和补料分批发酵，大肠杆菌番茄红素产量达1.44 g/L
- 辅因子工程（NADPH和ATP）使番茄红素产量提高76%，补料分批发酵产量达3.52 g/L（50.6 mg/g cdw）
- 染色体整合番茄红素基因使大肠杆菌产量约30 mg/g cdw
- 酿酒酵母中番茄红素产量达5.9 mg/g cdw
- 毕赤酵母中番茄红素产量4.6 mg/g cdw
- 解脂耶氏酵母中番茄红素产量16 mg/g cdw
- 链霉菌中番茄红素产量82 mg/g cdw
- 大肠杆菌β-胡萝卜素最高产量72.6 mg/g cdw
- 法夫酵母中虾青素产量9.7 mg/g cdw。
研究结论
代谢工程是提高番茄红素和其他萜类化合物产量的最优途径，通过多种策略的组合可实现微生物对高价值萜类化合物的高效、经济、可持续生产，未来合成微生物可能取代植物成为萜类化合物的主要来源。