Chemical vs. biotechnological synthesis of \(C_{13}\)-apocarotenoids: current methods, applications and perspectives
- 作者
- Vicente F. Cataldo, Javiera López, Martín Cárcamo, Eduardo Agosin
- 单位
- Pontificia Universidad Católica de Chile
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2016）
- DOI
- 10.1007/s00253-016-7583-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
C13-脱辅基类胡萝卜素（紫罗兰酮、二氢紫罗兰酮、大马酮等）在风味与香料工业中需求大，化学合成虽为主导但不可持续且难以获得光学纯异构体，亟需开发生物技术合成路线作为可持续、天然标注的替代方案。
研究策略
系统综述化学合成与生物技术合成（酶催化、全细胞生物转化、代谢工程从头合成）两条路线，并以紫罗兰酮为例对比工艺、监管和可持续性。
核心内容
该文系统综述了C13-脱辅基类胡萝卜素（紫罗兰酮、大马酮等）的化学合成与生物技术合成路线，重点以β-紫罗兰酮为对象对比两条工艺的可行性。化学合成目前仍为主导，如pseudoionone环化收率接近90%，工业装置产能可达40,000吨/年，但反应条件苛刻且难以获得光学纯异构体。生物技术路线中，利用类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD）的特异性和立体选择性可实现天然(R)-α-紫罗兰酮等产物的合成；全细胞转化方面，真菌过氧化物酶可将β-胡萝卜素转化为β-紫罗兰酮，最高得率13 mol%；β-胡萝卜素酶裂解底物转化率接近60%。在酿酒酵母中通过甲羟戊酸途径强化和CCD1表达实现β-紫罗兰酮从头合成，目前最高产量约5 mg/L（1 mg/g生物量），远低于工业要求，且β-紫罗兰酮对微生物抑制浓度约为10 mg/L，构成瓶颈。该综述指出，尽管生物合成在可持续性和天然标注方面优势明显，产量与化学合成差距悬殊，未来需通过代谢工程、蛋白工程及发酵优化将β-紫罗兰酮产量提升至1 g/L以上，方具备工业化潜力。
创新点
总结并对比了化学合成与生物合成 C13-脱辅基类胡萝卜素的全貌；指出利用 CCD 酶的特异性与立体选择性可实现天然 (R)-α-紫罗兰酮等光学纯产物的生物合成；提出通过代谢工程和蛋白工程提高 β-紫罗兰酮产量到1 g/L以上的未来方向。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径/类胡萝卜素生物合成 | crtYB, crtI, crtE | CrtYB, CrtI, CrtE | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous，用于从头合成β-胡萝卜素 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径 | HMG1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（截短型） | 催化 | 过表达增加甲羟戊酸/法尼基焦磷酸供给 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素生物合成 | BTS1 | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 内源过表达以合成GGPP |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素裂解 | CCD1 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶1 | 催化 | 来自Petunia hybrida或树莓，催化β-胡萝卜素裂解生成β-紫罗兰酮 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素裂解 | CCD1 (AtCCD1) | 拟南芥类胡萝卜素裂解双加氧酶1 | 催化 | 用于体外酶反应器裂解β-胡萝卜素，底物转化率约60% |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素裂解 | CCD4 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶4 | 催化 | 异源表达可裂解β-胡萝卜素产生β-紫罗兰酮，部分CCD4仅不对称裂解一侧 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素裂解 | CCD7 | 类胡萝卜素裂解双加氧酶7 | 催化 | 不对称裂解β-胡萝卜素生成β-紫罗兰酮 |
| 玉米/甜瓜 | 类胡萝卜素裂解 | CCD1 | 玉米/甜瓜CCD1 | 催化 | 以δ-胡萝卜素为底物生成α-紫罗兰酮 |
| 无细胞体系 | 类胡萝卜素共氧化 | — | 脂肪氧合酶（LOX） | 催化 | 非特异性共氧化β-胡萝卜素产生β-紫罗兰酮等 |
| 无细胞体系 | 类胡萝卜素共氧化 | — | 黄嘌呤氧化酶（XO） | 催化 | 产生ROS共氧化β-胡萝卜素，多相体系β-紫罗兰酮产量34 mol% |
| Lepista irina | 类胡萝卜素降解 | — | 过氧化物酶 | 催化 | 培养上清转化β-胡萝卜素得β-紫罗兰酮13 mol% |
| Marasmius scorodonius | 类胡萝卜素降解 | msp2 | 过氧化物酶MsP2 | 催化 | 异源表达于E. coli和S. cerevisiae，β-紫罗兰酮收率7.9 mol% |
| Paenibacillus amylolyticus 和 Trichosporon asahii混合培养 | 叶黄素生物转化 | — | — | 催化 | 混合培养将叶黄素转化为烟草香气，β-紫罗兰酮占9.4% |
| Pseudomonas cepacia | 脂解反应 | — | 脂肪酶 | 催化 | 用于α-/γ-紫罗兰酮等光学拆分，对映选择性>97% ee |
| Candida antarctica | 脂解反应 | — | 脂肪酶B | 催化 | 用于α-紫罗兰醇酯水解制备光学活性α-紫罗兰酮 |
关键发现
- β-紫罗兰酮在酿酒酵母中的从头合成最高产量为5 mg/L（1 mg/g 生物量），在1.5 L生物反应器中50 h发酵获得
- 化学合成中 α-紫罗兰酮异构体纯度>90%，β-紫罗兰酮约96%，γ-紫罗兰酮区域选择性约60%
- 光化学异构化制备γ-紫罗兰酮收率83%、纯度96%
- XO共氧化β-胡萝卜素生成β-紫罗兰酮约1 mol%，多相体系可提高至34 mol%
- 真菌过氧化物酶转化β-胡萝卜素得β-紫罗兰酮13 mol%（Lepista irina）和7.9 mol%（Marasmius scorodonius MsP2）
- β-胡萝卜素酶裂解反应底物转化率接近60%
- lutein双菌共转化生成β-紫罗兰酮占9.4%、二氢-β-紫罗兰醇84.2%、二氢-β-紫罗兰酮3.5%、3-羟基-β-紫罗兰酮2.9%
- 工业β-紫罗兰酮化学合成中pseudoionone环化收率接近90%
- BASF柠檬醛装置产能40,000吨/年，反应温度高达360°C
- β-紫罗兰酮对微生物抑制浓度约10 mg/L。
研究结论
生物技术合成 C13-脱辅基类胡萝卜素（尤其紫罗兰酮）在可持续性、天然标注和获得光学纯异构体方面优于化学合成，但目前产量远低于工业要求，需通过代谢工程、蛋白工程和发酵工艺优化实现规模化。