Enhancement of β-Carotene Production by Over-Expression of HMG-CoA Reductase Coupled with Addition of Ergosterol Biosynthesis Inhibitors in Recombinant Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Guo-liang Yan, Ke-rui Wen, Chang-qing Duan
- 杂志
- Current Microbiology（2011）
- DOI
- 10.1007/s00284-011-0044-9
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
提高重组酿酒酵母中β-胡萝卜素的产量，解决单独过表达HMG-CoA还原酶或单独添加麦角固醇合成抑制剂效果有限的问题
研究策略
在重组酿酒酵母中同时过表达HMG-CoA还原酶的催化结构域（tHMG1）并添加麦角固醇合成抑制剂酮康唑，通过阻断麦角固醇合成使FPP前体更多流向类胡萝卜素合成分支
核心内容
该研究在重组酿酒酵母中联合运用代谢工程与抑制剂策略以提升β-胡萝卜素产量。研究者过表达了HMG-CoA还原酶的催化结构域tHMG1，同时添加麦角固醇合成抑制剂酮康唑，通过阻断麦角固醇分支使异戊二烯前体FPP更多流向类胡萝卜素合成途径。结果显示，单独过表达tHMG1使β-胡萝卜素含量从对照的2.05 mg/g细胞干重提高135.1%至4.82 mg/g，而单独添加100 mg/L酮康唑仅提升15.6%。两者联用时产量达6.29 mg/g干重，较对照提高206.8%，较单独过表达tHMG1再增30.5%，较单独添加抑制剂提高165.4%，表现出明确的协同增效。酮康唑添加后麦角固醇含量下降14%至26%，证实了通路重塑效果。该组合策略有效解决了单一手段效果有限的问题，表明过表达关键限速酶并同时抑制竞争分支可显著强化目标代谢物合成，此思路可推广至其他异戊二烯类高价值化合物的微生物生产。
创新点
首次将HMG-CoA还原酶过表达与麦角固醇合成抑制剂酮康唑联合应用于β-胡萝卜素生产，证明二者具有协同增效作用
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径 | tHMG1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMG-CoA还原酶） | 催化 | 过表达其催化结构域以增加FPP前体供应 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtYB | 双功能八氢番茄红素合成酶/番茄红素环化酶（CrtYB） | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous，由GPD强启动子驱动 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶（CrtI） | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous，由GPD强启动子驱动 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtE | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶（GGPP合酶，CrtE） | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous，由GPD强启动子驱动 |
| Saccharomyces cerevisiae | 麦角固醇生物合成途径 | — | 细胞色素P-450依赖的C14-脱甲基酶 | 催化 | 酮康唑的靶点，抑制该酶以阻断麦角固醇合成 |
关键发现
- 对照菌株SC004的β-胡萝卜素浓度为2.05 mg/g细胞干重
- 单独过表达tHMG1使浓度提高135.1%（达到4.82 mg/g干重）
- 单独添加100 mg/L酮康唑使浓度提高15.6%
- 联合过表达tHMG1和添加100 mg/L酮康唑使浓度提高206.8%（达到6.29 mg/g干重），比单独过表达tHMG1提高30.5%，比单独添加酮康唑提高165.4%
- 酮康唑添加后麦角固醇含量在SC004中分别下降14.4%（30 mg/L）和22.9%（100 mg/L），在SC017中分别下降13.7%和26.5%。
研究结论
过表达HMG-CoA还原酶并同时阻断麦角固醇生物合成，可有效引导更多FPP前体流向类胡萝卜素分支，显著提高β-胡萝卜素产量，该组合策略可推广应用于其他有价值的异戊二烯类化合物的生产。