Rhodotorula sp.-based biorefinery: a source of valuable biomolecules
- 作者
- Cassamo U. Mussagy, Helena F. Ribeiro, Valeria C. Santos-Ebinuma, Boelo Schuur, Jorge F. B. Pereira
- 单位
- Escuela de Agronomía, Facultad de Ciencias Agronómicas y de los Alimentos, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, 2260000 Quillota, Chile; Department of Chemical Engineering, CIEPQPF, University of Coimbra, Rua Silvio Lima, Pólo II - Pinhal de Marrocos, 3030-790 Coimbra, Portugal; Department of Engineering of Bioprocesses and Biotechnology, School of Pharmaceutical Sciences, São Paulo State University (UNESP), Araraquara, SP 14800-903, Brazil; Sustainable Process Technology Group, Process and Catalysis Engineering Cluster, Faculty of Science and Technology, University of Twente, PO Box 217, 7500 Enschede, AE, Netherlands
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2022）
- DOI
- 10.1007/s00253-022-12221-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Rhodotorula sp.作为高效、可持续的微生物生物炼制平台，生产高附加值生物分子（类胡萝卜素、脂质和酶）的现状、挑战与前景。
研究策略
系统综述Rhodotorula sp.的生物学特性、产物合成条件、下游加工以及基因工程改造策略，提出整合型生物炼制平台。
研究路线图
核心内容
该综述系统评估了红冬孢酵母属作为微生物生物炼制平台的潜力，重点分析了其生产类胡萝卜素、脂质及多种酶类等高附加值生物分子的现状与挑战。作者梳理了该属菌株的生物学特性、关键产物的合成条件及下游加工策略，并讨论了CRISPR等基因编辑工具在非模式酵母中应用的可能性。文中汇总了多项代表性数据：以浓缩葡萄汁为碳源时，胶红酵母总类胡萝卜素产量达5.95 mg/L；在含铜培养基中，粘红酵母经H₂O₂胁迫后类胡萝卜素产量从3.8 mg/L提升至18.01 mg/L。脂质方面，利用甘油并在C/N比85条件下培养72小时，脂质含量可达60.7%、产量6.10 g/L。通过CRISPR工程改造胶红酵母，β-胡萝卜素产量达到27.13 mg/g。此外，使用丙基离子液体从胶红酵母中高效回收了多种类胡萝卜素。研究还提出集成上游发酵与绿色提取的整合型生物炼制概念，以玉米芯为原料可同时获得生物乙醇131.3 g/kg和微生物脂质11.5 g/kg，展示了利用廉价底物共生产多产品的可行性。该工作表明红冬孢酵母属是有前景的细胞工厂，但仍需优化发酵工艺、开发低成本提取技术并借助基因工程提升产量以实现工业化。
创新点
提出了集成上游发酵和下游绿色提取的Rhodotorula生物炼制概念，讨论了CRISPR等基因编辑技术在非模式酵母中的潜在应用。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodotorula glutinis | 类胡萝卜素生物合成 | crtI, crtE, crtYB, tHMG1 | 八氢番茄红素脱氢酶、香叶基香叶基焦磷酸合酶、双功能番茄红素环化酶/八氢番茄红素合酶、HMG-CoA还原酶 | 催化 | CRISPR改造提高β-胡萝卜素产量至27.13 mg/g |
| Rhodotorula glutinis | 脂质合成 | ME | 苹果酸酶（来自Mucor circinelloides） | 催化 | 过表达ME提高脂质积累 |
| Rhodotorula mucilaginosa | 糖类代谢 | — | 转化酶（invertase） | 催化 | 胞外最高4.21 U/mL (168h)，胞内23 U/mL (72h) |
| Rhodotorula glutinis MP-10 | 单宁和果胶降解 | — | 单宁酶和聚半乳糖醛酸酶 | 催化 | 游离和固定化细胞均可共产 |
| Rhodotorula sp. | 果糖基转移酶生产 | — | 果糖基转移酶 | 催化 | 通过阴离子交换色谱纯化 |
| Rhodotorula glutinis | 纤维素降解 | CBHI, CBHII, EgI, EgIII, EglA, BGS | 纤维素酶 | 催化 | CRISPR工程共表达纤维素酶基因 |
关键发现
- 以浓缩葡萄汁为碳源时R. glutinis总类胡萝卜素产量达5.95 mg/L；添加1 mM NiSO4使类胡萝卜素含量达102.4 μg/g（比对照提高53%）；在含铜培养基中R. mucilaginosa类胡萝卜素从3.8 mg/L增至8.65 mg/L，H2O2处理后达18.01 mg/L；R. glutinis在甘油和C/N=85条件下培养72h，脂质含量达60.7%、脂质产量6.10 g/L；利用玉米芯为原料可同时产生物乙醇131.3 g/kg和微生物脂质11.5 g/kg；使用丙基离子液体从R. glutinis中回收β-胡萝卜素206.65 μg/mL、torularhodin
- 82 μg/mL、torulene
- 21 μg/mL；通过CRISPR工程改造R. glutinis，β-胡萝卜素产量达27.13±0.66 mg/g。
研究结论
Rhodotorula sp.是一种有前景的微生物细胞工厂，可通过整合生物炼制策略同时生产多种高附加值产品，但需进一步优化发酵工艺、开发绿色低成本的提取技术，并借助基因工程提高产量，以实现工业化应用。