Yield enhancement strategies of rare pharmaceutical metabolites from endophytes
- 作者
- Fangxue Xu, Shiyuan Wang, Yujuan Li, Mengmeng Zheng, Xiaozhi Xi, Hui Cao, Xiaowei Cui, Hong Guo, Chunchao Han
- 杂志
- Biotechnology Letters（2018）
- DOI
- 10.1007/s10529-018-2531-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
内生真菌产生的稀有药用代谢物产量极低，难以满足商业化需求，需开发有效的产量提升策略。
研究策略
系统综述了菌株改良、基因组改组、培养基优化、发酵条件优化、特定因子添加、固体吸附剂添加和共培养等七类生物工艺优化策略，以提高内生菌稀有药用代谢物的产量。
研究路线图
核心内容
内生真菌产生的稀有药用代谢物产量极低，严重制约其商业化应用。该综述系统归纳了七类提高产量的策略，包括菌株改良、基因组改组、培养基与发酵条件优化、特定因子添加、固体吸附剂添加及共培养。菌株改良方面，Fusarium maire K178经UV和DES联合诱变后紫杉醇产量提高8.6倍；基因组改组中Phomopsis sp. A123突变株的去乙酰真菌环氧二烯产量最高提升275倍，工程化甲羟戊酸途径使Alternaria alternata TPF6的紫杉二烯产量达61.9 μg/L。特定因子添加效果显著，如Fusarium solani添加0.5 mM色胺使喜树碱产量达153.6 μg/L，较对照提高4.5倍；Pestalotiopsis microspora Ne32添加甾醇合成抑制剂使紫杉醇产量提高50倍。固体吸附剂添加和共培养同样有效，如Phomopsis sp. Hant25添加纤维素纸片使mycoepoxyidine产量达354 mg/L，Fusarium tricinctum与Bacillus subtilis共培养使enniatins产量提高78倍。这些策略为突破内生菌代谢物低产瓶颈提供了系统可行的技术路线，对高值药用代谢物的可持续生产具有重要意义。
创新点
综合归纳了多种提高内生菌稀有药用代谢物产量的策略，并通过大量实例和具体数据（如倍数、浓度）展示各策略的效果，为后续研究提供了系统参考。
研究对象（26）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Fusarium maire K178 | 紫杉醇生物合成 | — | — | 催化 | UV+DES诱变，紫杉醇产量提高8.6倍 |
| S-NU-302 (源自S6) | 小檗碱生物合成 | — | — | 催化 | UV、X射线和NaNO2诱变，小檗碱产量提高170% |
| Emericella foeniculicola NU152 | 丹参酮IIA生物合成 | — | — | 催化 | UV+NaNO2诱变，产量提高1.46倍 |
| AYA 20-1 (Trichoderma sp. Gen 9与Cladosporium sp. Gen 20融合重组) | L-天冬酰胺酶/L-谷氨酰胺酶合成 | — | — | 催化 | 乙醇诱变，L-天冬酰胺酶活性提高2.11倍，L-谷氨酰胺酶活性提高2.58倍 |
| Phomopsis sp. A123突变株G2-119/G2-448/G2-866 | 去乙酰真菌环氧二烯（DAM）生物合成 | — | — | 催化 | 基因组改组，DAM产量分别提高243、241、225倍（另一突变株275倍） |
| Nodulisporium sylviform重排菌株 | 紫杉醇生物合成 | — | — | 催化 | 四轮基因组改组，紫杉醇产量提高31.52-44.72% |
| Alternaria alternata TPF6 | 紫杉二烯生物合成（甲羟戊酸途径） | — | — | 催化 | 工程化MVA途径，紫杉二烯最高产量61.9±6.3 μg/L |
| Xylaria sp. Acra L38 | Zofimarin生物合成 | — | — | 催化 | 正交实验优化培养基成分，获得最大产量 |
| Fusarium solani | 喜树碱生物合成 | — | — | 催化 | 优化发酵参数，喜树碱产量提高152倍 |
| Preussia minima | 淀粉酶合成 | — | — | 催化 | 分离得到产淀粉酶内生真菌 |
| Alternaria alternata | 乙酰胆碱酯酶抑制剂合成 | — | — | 催化 | 优化发酵条件，AChEI抑制活性提高1.3倍 |
| Periconia sp. | 紫杉醇生物合成 | — | — | 催化 | 添加苯甲酸盐，紫杉醇产量提高8倍 |
| Fusarium maire Y1117 | 紫杉醇生物合成 | — | — | 催化 | 添加乙酸钠，紫杉醇产量提高11.26倍 |
| Epicoccum nigrum | 紫杉醇生物合成 | — | — | 催化 | 添加丝氨酸，紫杉醇产量提高29.6倍 |
| Colletotrichum gloeosporioides ES026 | 石杉碱甲（HupA）生物合成 | — | — | 催化 | 添加甲醇和乙醇，HupA产量增加51.89% |
| F. solani | 喜树碱生物合成 | — | — | 催化 | 添加BSA使CPT浓度达41.9 μg/L（对照12.3 μg/L，3.4倍）；添加0.5 mM色胺使CPT达153.6 μg/L（4.5倍） |
| Pestalotiopsis microspora Ne32 | 紫杉醇生物合成 | — | — | 调控 | 添加甾醇合成抑制剂（多效唑），紫杉醇产量提高50倍 |
| Hyalodendriella sp. Ponipodef12 | botrallin和TMC-264生物合成 | — | — | 催化 | 添加大孔树脂DM-301，botrallin和TMC-264产量分别提高2.29倍和11.76倍 |
| Fusarium redolens Dzf2 | 白僵菌素（beauvericin）生物合成 | — | — | 催化 | 添加X-5树脂，产量提高1.8倍 |
| Berkleasmium sp. Dzf12 | palmarumycin C13生物合成 | — | — | 催化 | 添加AB-8树脂，产量提高1.4倍 |
| Trichoderma atroviride LY357 | 喜树碱生物合成 | — | — | 催化 | 添加X-5树脂，CPT产量提高11倍 |
| Phomopsis sp. Hant25 | mycoepoxyidine生物合成 | — | — | 催化 | 添加纤维素纸片，mycoepoxyidine产量达354 mg/L |
| Paraconiothyrium SSM001 | 紫杉醇生物合成 | — | — | 调控 | 与Alternaria alternata共培养，紫杉醇产量提高3倍 |
| Fusarium（与红豆杉悬浮细胞共培养） | 紫杉醇生物合成 | — | — | 调控 | 与Taxus悬浮细胞共培养，紫杉醇产量提高38倍 |
| Trichoderma harzianum M10 | tetramic acid生物合成 | — | — | 调控 | 与T. pinophilus F36CF共培养，分离到新tetramic acid |
| Fusarium tricinctum | enniatins A1和B1生物合成 | — | — | 调控 | 与Bacillus subtilis 168 trpC2共培养，enniatins A1和B1产量提高78倍 |
关键发现
- 菌株改良中，Fusarium maire K178经UV+DES诱变紫杉醇产量提高8.6倍
- S-NU-302经诱变小檗碱产量提高170%
- Emericella foeniculicola NU152经诱变丹参酮IIA产量提高1.46倍
- 重组菌株AYA 20-1的L-天冬酰胺酶和L-谷氨酰胺酶活性分别提高2.11倍和2.58倍。基因组改组中，Phomopsis sp. A123突变株G2-119、G2-448、G2-866及另一突变株DAM产量分别提高243倍、241倍、225倍和275倍
- Nodulisporium sylviform重排菌株紫杉醇产量提高31.52-44.72%
- 工程化MVA途径使Alternaria alternata TPF6的紫杉二烯产量达61.9±6.3 μg/L。发酵条件优化使喜树碱产量提高152倍，乙酰胆碱酯酶抑制剂活性提高1.3倍。特定因子添加方面，Periconia sp.添加苯甲酸盐紫杉醇产量提高8倍
- Fusarium maire Y1117添加乙酸钠提高11.26倍
- Epicoccum nigrum添加丝氨酸提高29.6倍
- Colletotrichum gloeosporioides ES026添加甲醇/乙醇HupA产量增加51.89%
- F. solani添加BSA使CPT产量由12.3 μg/L增至41.9 μg/L（3.4倍），添加0.5 mM色胺使CPT产量达153.6 μg/L（4.5倍）
- Pestalotiopsis microspora Ne32添加甾醇合成抑制剂紫杉醇产量提高50倍。固体吸附剂添加中，Hyalodendriella sp. Ponipodef12添加DM-301使botrallin和TMC-264产量分别提高2.29倍和11.76倍
- Fusarium redolens Dzf2添加X-5使beauvericin产量提高1.8倍
- Berkleasmium sp. Dzf12添加AB-8使palmarumycin C13产量提高1.4倍
- Trichoderma atroviride LY357添加X-5使CPT产量提高11倍
- Phomopsis sp. Hant25添加纤维素纸片使mycoepoxyidine产量达354 mg/L。共培养策略中，Paraconiothyrium SSM001与Alternaria alternata共培养紫杉醇产量提高3倍，Fusarium与Taxus悬浮细胞共培养提高38倍，Fusarium tricinctum与Bacillus subtilis 168 trpC2共培养使enniatins A1和B1产量提高78倍。
研究结论
通过菌株改良、基因组改组、培养基/发酵条件优化、特定因子添加、固体吸附剂添加和共培养等多种策略，可有效克服内生真菌稀有药用代谢物产量低的限制，实现高值代谢物的可持续生产，这些高价值代谢物在人类健康与疾病治疗中具有广阔应用前景。