Selecting a preculture strategy for improving biomass and astaxanthin productivity of Chromochloris zofingiensis
- 作者
- Yuxin Wang, Jia Wang, Shufang Yang, Qingping Liang, Ziqiang Gu, Ying Wang, Haijin Mou, Han Sun
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2024）
- DOI
- 10.1007/s00253-023-12873-x
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
Chromochloris zofingiensis的快速生长与虾青素富集难以同时实现，异养培养初期细胞活力弱、生物量低，需要一种预培养策略改善细胞生理状态，以实现高密度异养培养和高效虾青素生产。
研究策略
比较自养(AP)、混养(MP)、异养(HP)三种预培养模式对C. zofingiensis异养生长的影响，结合转录组分析和13C标记代谢通量分析(13C-MFA)阐明机制，并采用指数补料分批培养(FBC)在20 L发酵罐中进行放大验证。
研究路线图
核心内容
针对Chromochloris zofingiensis异养培养中细胞活力弱与虾青素积累难以兼顾的问题，该研究系统比较了自养、混养和异养三种预培养策略对后续异养高密度培养的影响，并结合转录组分析与13C标记代谢通量分析揭示机制，最后在20 L发酵罐中以指数补料分批培养进行放大验证。结果显示，混养预培养能有效平衡葡萄糖代谢与类胡萝卜素合成，批次培养中其生物量达1.78 g/L，为自养组的2.4倍，虾青素产率2.03 mg/L/day，较自养组提高58%。在20 L罐中，混养预培养结合补料分批培养实现121.5 g/L生物量和111 mg/L/day虾青素生产率，较此前最佳记录高7.4倍。代谢分析表明，混养预培养增强了糖酵解和TCA循环通量，上调磷酸戊糖途径基因表达，同时维持部分类胡萝卜素合成碳流。该策略通过优化细胞初始代谢状态，显著提升异养密度与虾青素总产率，具备工业化应用潜力。
创新点
1. 首次系统比较三种预培养策略对C. zofingiensis异养高密度培养的影响；2. 混养预培养(MP)结合补料分批培养在20 L发酵罐中实现121.5 g/L生物量，虾青素生产率达111 mg/L/day，为全球最高水平，比此前最佳记录高7.4倍；3. 通过转录组和13C-MFA揭示MP在增强葡萄糖代谢与抑制类胡萝卜素合成之间达到平衡，从而获得最佳虾青素总产率。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chromochloris zofingiensis | 磷酸戊糖途径 | G6PD2 | 葡萄糖-6-磷酸-1-脱氢酶 | 催化 | 上调表达，为脂质和虾青素合成提供NADPH |
| Chromochloris zofingiensis | 磷酸戊糖途径 | PGLS2 | 6-磷酸葡萄糖酸内酯酶 | 催化 | 上调表达 |
| Chromochloris zofingiensis | 磷酸戊糖途径 | 6PGD | 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 | 催化 | 上调表达，催化NADPH产生 |
| Chromochloris zofingiensis | 糖酵解 | ENO | 烯醇化酶 | 催化 | 上调表达，促进磷酸烯醇式丙酮酸合成 |
| Chromochloris zofingiensis | 糖酵解 | PK | 丙酮酸激酶 | 催化 | 上调表达，促进丙酮酸合成 |
| Chromochloris zofingiensis | 糖酵解/回补反应 | PEPCK | 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 | 催化 | HP组高表达，催化OAA转化为PEP/丙酮酸回补反应 |
| Chromochloris zofingiensis | 丙酮酸代谢 | PDHC | 丙酮酸脱氢酶复合体 | 催化 | MP/HP上调，催化丙酮酸生成乙酰-CoA |
| Chromochloris zofingiensis | 丙酮酸代谢 | ACS | 乙酰-CoA合成酶 | 催化 | MP上调，催化乙酸转化为乙酰-CoA |
| Chromochloris zofingiensis | TCA循环 | CIS2 | 柠檬酸合酶 | 催化 | MP/HP上调 |
| Chromochloris zofingiensis | TCA循环 | IDH1/IDH2 | 异柠檬酸脱氢酶 | 催化 | MP/HP上调 |
| Chromochloris zofingiensis | 脂肪酸从头合成 | HAD | 3-羟酰基-ACP脱水酶 | 催化 | MP组转录最高 |
| Chromochloris zofingiensis | 脂肪酸从头合成 | ENR | 烯脂酰-ACP还原酶 | 催化 | MP高表达 |
| Chromochloris zofingiensis | 脂肪酸脱饱和 | SAD | 硬脂酰-ACP脱饱和酶 | 催化 | MP/HP上调 |
| Chromochloris zofingiensis | 甘油脂合成（Kennedy途径） | GPAT1 | 甘油-3-磷酸酰基转移酶 | 催化 | AP高表达 |
| Chromochloris zofingiensis | 甘油脂合成（Kennedy途径） | PAP3 | 磷脂酸磷酸酶 | 催化 | MP/HP上调表达，限速酶 |
| Chromochloris zofingiensis | 甘油脂合成（Kennedy途径） | DGAT1A/1B/DGTT5/6/7 | 二酰甘油酰基转移酶 | 催化 | MP/HP上调，催化TAG合成 |
| Chromochloris zofingiensis | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | AP高表达，合成IPP/DMAPP |
| Chromochloris zofingiensis | MEP途径 | CMS | 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸胞苷酰转移酶 | 催化 | AP高表达 |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | AP高表达 |
| Chromochloris zofingiensis | 类胡萝卜素合成 | LCYb | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | AP>MP>HP，将番茄红素转化为β-胡萝卜素 |
| Chromochloris zofingiensis | 虾青素合成 | BKT1 | β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | AP高表达，催化玉米黄质酮化为虾青素 |
| Chromochloris zofingiensis | 虾青素酯化 | AAT | 长链醇O-脂肪酰基转移酶 | 催化 | MP/HP转录降低，参与虾青素酯化 |
关键发现
- 混养预培养(MP)使C. zofingiensis在20 L发酵罐中异养生物量达121.5 g/L，虾青素生产率达111 mg/L/day，较此前最佳记录高7.4倍
- 在批次培养中，MP组最终生物量为1.78 g/L，是AP组(0.75 g/L)的2.4倍
- 虾青素产率为2.03 mg/L/day，较AP组(0.93 mg/L/day)提高58%，HP组为1.47 mg/L/day
- MP组脂肪酸组成中C16:0、C18:1、C18:2比例分别比AP组增加1.29%、6.94%、7.75%，而C16:3和C18:3分别下降1.64%和11.51%
- 转录组和13C-MFA显示MP促进了糖酵解和TCA循环通量，维持了部分类胡萝卜素合成碳流，并上调了PP途径相关基因表达。补料分批培养中MP组生物量比批次培养提高351%，AP组仅提高16%，HP组提高400%
- MP组在20 L发酵罐中比生长速率最高达0.64 h^-1。
研究结论
MP策略是最适合C. zofingiensis工业化生产虾青素的预培养方式，它通过优化细胞代谢状态，平衡葡萄糖代谢与类胡萝卜素合成，实现高密度异养培养和显著提高的虾青素总产率，且具有经济可行性，有望促进天然虾青素的商业化生产。