Artemisinin production by plant hairy root cultures in gas- and liquid-phase bioreactors
- 作者
- Nivedita Patra, Ashok K. Srivastava
- 单位
- Department of Biochemical Engineering and Biotechnology, Indian Institute of Technology Delhi; School of Food Science and Environmental Health, College of Sciences and Health, Dublin Institute of Technology
- 杂志
- Plant Cell Reports（2015）
- DOI
- 10.1007/s00299-015-1875-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素的生产依赖于季节性植物黄花蒿，供应不足；需要开发替代的规模化生产方法，研究不同生物反应器构型中黄花蒿毛状根的生长与青蒿素积累能力。
研究策略
利用发根农杆菌介导的遗传转化获得黄花蒿毛状根，在气泡柱反应器、营养雾反应器和改良营养雾反应器三种构型中进行培养；采用液相-气相组合培养策略（先液相5天再雾相15天）以提高青蒿素产量。
核心内容
该研究针对青蒿素供应依赖季节性栽培黄花蒿、难以满足稳定需求的问题，利用发根农杆菌介导遗传转化获得黄花蒿毛状根，系统比较了气泡柱反应器、常规营养雾反应器和改良营养雾反应器三种构型中毛状根的生长与青蒿素积累能力。改良营养雾反应器将气泡柱液相模式与营养雾气相模式结合，配备棉质根支持物并优化雾循环周期。结果显示，改良NMB中毛状根干重达23.02 g/L，青蒿素积累量为1.12 mg/g（相当于25.78 mg/L），生产率为1.29 mg/(L·d)，显著优于气泡柱反应器（干重5.68 g/L、青蒿素1.50 mg/L）和常规NMB（干重8.52 g/L、青蒿素1.87 mg/L）。该构型中细胞活力为73%，蔗糖消耗34.1 g/L。这一组合液相-气相培养策略实现了迄今报道的气相反应器中最高青蒿素产量，表明改良营养雾反应器是黄花蒿毛状根规模化生产青蒿素的有效平台，为其他次生代谢物的毛状根培养提供了可扩展模型。
创新点
设计并应用改良营养雾反应器（modified NMB），将气泡柱模式与营养雾模式结合，配备棉质根支持物和优化的雾循环周期，实现了迄今报道的气相营养雾反应器中最高的青蒿素产量。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua hairy roots | 青蒿素生物合成 | — | — | 催化 | 整体代谢通路，目标产物为青蒿素 |
| Artemisia annua hairy roots | — | rolA | — | 调控 | 来自发根农杆菌的root locus gene，用于确认毛状根转化 |
关键发现
- 改良营养雾反应器中获得最高干重23.02 g/L和青蒿素积累1.12 mg/g（相当于25.78 mg/L），青蒿素生产率1.29 mg/(L·d)，生物量产率0.67 g/g消耗蔗糖
- 而气泡柱反应器仅获得5.68 g/L干重和1.50 mg/L青蒿素，常规营养雾反应器获得8.52 g/L干重和1.87 mg/L青蒿素（0.22 mg/g）。改良NMB中细胞活力为73%，初始蔗糖37.5 g/L，消耗34.1 g/L。
研究结论
改良营养雾反应器（组合液相-气相培养）最适合黄花蒿毛状根的大量培养和青蒿素的商业化生产，其产量显著高于其他反应器构型，为毛状根培养生产次生代谢物提供了可扩展的模型。