Combined 6-benzylaminopurine and H2O2 stimulate the astaxanthin biosynthesis in Xanthophyllomyces dendrorhous
- 作者
- Alejandro Torres-Haro, Jorge Verdin, Manuel R. Kirchmayr, Melchor Arellano-Plaza
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2024）
- DOI
- 10.1007/s00253-023-12875-9
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
野生型Xanthophyllomyces dendrorhous的虾青素产量低且氧化胁迫会损伤细胞，需开发既能有效刺激虾青素合成又能保持细胞完整性的处理策略。
研究策略
在指数期和稳定期对野生型X. dendrorhous进行多次单独或联合添加氧化剂（H2O2、Fe2+、甲萘醌、谷氨酸）和植物激素（6-BAP、ABA、IAA），评估虾青素产量、细胞活力、线粒体活性及通路基因转录水平。
研究路线图
核心内容
该研究针对野生型Xanthophyllomyces dendrorhous虾青素产量低且氧化胁迫损伤细胞的问题，开发了一种联合处理策略。作者在指数期和稳定期分别单独或组合添加氧化剂（H2O2、Fe2+、甲萘醌、谷氨酸）与植物激素（6-BAP、ABA、IAA），系统评估了虾青素产量、细胞活力、线粒体活性及通路基因转录水平。结果显示，6-BAP与H2O2联合处理表现出协同刺激作用，使虾青素产量提高3.69倍，达到0.127 mg/g生物量，且细胞活力维持在82.75%以上、线粒体活性超过82.2%，而对照组细胞活力低于52.17%。基因表达分析表明，联合处理在38小时使idi和crtS分别上调22.24倍和21.93倍，50小时时hmgR上调9.73倍，类胡萝卜素通路基因均呈瞬时激活。该组合策略通过保护细胞完整性与激活通路基因表达，成为提高野生型菌株虾青素产量的有效手段，其中hmgR和idi可作为后续代谢工程改造的潜在靶点。
创新点
首次报道6-BAP与H2O2联合处理对X. dendrorhous虾青素合成的协同刺激作用，该组合在维持高细胞活力（>82.75%）和线粒体活性（>82.2%）的同时显著提高虾青素产量。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Xanthophyllomyces dendrorhous ATCC 24202 | 甲羟戊酸/类胡萝卜素生物合成途径 | hmgR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 催化HMG-CoA生成甲羟戊酸，是类异戊二烯前体合成的关键酶 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous ATCC 24202 | 甲羟戊酸/类胡萝卜素生物合成途径 | idi | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP异构化，为类胡萝卜素合成提供前体 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous ATCC 24202 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtYB | 八氢番茄红素-β-胡萝卜素合酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素合成及后续环化步骤 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous ATCC 24202 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为细胞色素P450酶（如CrtS）提供电子，参与虾青素合成 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous ATCC 24202 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtS | 虾青素合酶 | 催化 | 催化β-胡萝卜素转化为虾青素的关键酶 |
关键发现
- 6-BAP和H2O2联合处理使虾青素合成提高3.69倍，达0.127±0.018 mg/g生物量
- 单独6-BAP和ABA分别提高2.60倍和2.24倍
- 联合处理中细胞活力>82.75%，线粒体活性>82.2%，而对照组细胞活力<52.17%，线粒体活性<85.3%。谷氨酸(1.0 g/L)使最终生物量提高1.19倍，类胡萝卜素产量提高1.43倍。在38h时，6-BAP+H2O2使idi和crtS表达分别上调22.24倍和21.93倍
- 在50h时hmgR上调9.73倍
- 在整个发酵过程中hmgR、idi、crtYB、crtR和crtS呈瞬时上调。
研究结论
6-BAP与H2O2联合处理是提高野生型X. dendrorhous虾青素产量的最佳策略，可通过保护细胞完整性和激活类胡萝卜素通路基因的瞬时表达来实现，hmgR和idi可作为后续代谢工程改造的潜在靶点。