Thraustochytrids as production organisms for docosahexaenoic acid (DHA), squalene, and carotenoids
- 作者
- Inga Marie Aasen, Helga Ertesvåg, Tonje Marita Bjerkan Heggeset, Bin Liu, Trygve Brautaset, Olav Vadstein, Trond E. Ellingsen
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/s00253-016-7498-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
综述破囊壶菌生产DHA、角鲨烯和类胡萝卜素的研究进展，分析工艺优化与菌株改良的现状和瓶颈。
研究策略
系统回顾DHA生产工艺优化（碳源、氮源、氧、温度等）与代谢途径知识，总结角鲨烯和类胡萝卜素生产数据，并评估基因组和遗传工具发展。
核心内容
该综述系统梳理了破囊壶菌在二十二碳六烯酸（DHA）、角鲨烯和类胡萝卜素生产中的研究进展，重点分析了工艺优化与菌株改良的现状与瓶颈。文中将碳源、氮源、氧供给和温度等发酵条件对DHA产量和脂质积累的影响，与聚酮合酶和脂肪酸合酶途径及脂质代谢机制相关联，提出角鲨烯和类胡萝卜素可作为潜在共产品，并展望了系统级代谢工程的潜力。关键数据显示，高产能菌株可在4天内达到100 g/L以上细胞干重，脂质含量占干重50–70%，DHA占总脂肪酸30–70%；最高DHA体积产率报道为7–8 g/L/d，专利中可达13 g/L/d。角鲨烯最高水平可达细胞干重的32%，体积产率约0.2–1.4 g/L/d。类胡萝卜素方面，Thraustochytriidae sp. AS4-A1的虾青素含量高达40 mg/g细胞干重。此外，在Schizochytrium sp. HX-308中添加苹果酸可使DHA占总脂肪酸比例从35%提高到60%，重组表达透明颤菌血红蛋白使虾青素含量提高9倍。该综述表明破囊壶菌是多种高价值脂溶性产物的优良生产菌株，但DHA两条合成途径的关系及角鲨烯和类胡萝卜素的生产动力学仍需深入理解，基因组和遗传工具的发展有望推动系统级代谢工程进一步提升生产力。
创新点
将DHA工艺优化数据与PKS/FAS途径及脂质积累机制关联，提出角鲨烯和类胡萝卜素作为潜在共产品，强调系统级代谢工程前景。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Schizochytrium sp. S31 | DHA合成 | — | 聚酮合酶 (PKS) | 催化 | DHA由PKS途径合成，与FAS共用乙酰-CoA和NADPH |
| Aurantiochytrium limacinum SR21 | DHA合成 | PKS基因簇 | 聚酮合酶 (PKS) | 催化 | 高密度发酵生产DHA，最高产量7-8 g/L/d |
| Thraustochytrids（通用） | 脂肪酸合成 | fas | 脂肪酸合酶 (FAS) | 催化 | 合成C14:0和C16:0等饱和脂肪酸 |
| Schizochytrium sp. HX-308 | 脂肪酸合成（NADPH供给） | ME | 苹果酸酶 | 能量供给 | 产生NADPH，添加苹果酸使DHA比例从35%升至60% |
| Schizochytrium sp. HX-308 | 磷酸戊糖途径 | G6PD | 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 | 能量供给 | 产生NADPH，在生长阶段活性最高 |
| Aurantiochytrium sp. KRS101 | 角鲨烯合成 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化两分子FPP生成角鲨烯，需NADPH和Mg2+ |
| Aurantiochytrium sp. SD116 | 甾醇/角鲨烯合成 | SQS等 | 角鲨烯合酶、环阿屯醇合酶等 | 催化 | 转录组显示相关酶表达 |
| Thraustochytriidae sp. AS4-A1 (Ulkenia sp.) | 类胡萝卜素/虾青素合成 | — | 类胡萝卜素合成酶系 | 催化 | 虾青素最高达40 mg/g CDW (4% CDW) |
| Aurantiochytrium sp. KH105 | 类胡萝卜素合成 | — | 类胡萝卜素合成酶系 | 催化 | 总类胡萝卜素1.5-3.4 mg/g，虾青素约1.4 mg/g |
| Aurantiochytrium sp. SK4 | 虾青素合成 | vgb | Vitreoscilla血红蛋白 | 转运 | 重组表达使虾青素含量在微氧条件下提高9倍 |
关键发现
- 高产能破囊壶菌4天内细胞密度可达100 g/L以上（干重），脂质含量为细胞干重的50-70%，DHA占总脂肪酸30-70%。文献报道的最高DHA体积产率为7-8 g/L/d（Schizochytrium sp. S31在150 g/L CDW
- A. limacinum SR21在88 g/L CDW），专利中达13 g/L/d（190 g/L CDW）。角鲨烯最高水平为细胞干重的32%和20%（Aurantiochytrium spp. Yonez5-1和18W-13a），其中18W-13a角鲨烯占总脂69%，Yonez5-1约94%
- 角鲨烯体积产率约0.2-1.4 g/L/d。类胡萝卜素方面，Thraustochytriidae sp. AS4-A1虾青素含量高达40 mg/g CDW（4% CDW），产量0.30-0.45 g/L
- Aurantiochytrium sp. KH105总类胡萝卜素1.5-3.4 mg/g，虾青素约1.4 mg/g。另外，在Schizochytrium sp. HX-308中添加苹果酸使DHA占总脂肪酸比例从35%提高到60%，DHA占生物量从约8%提高到约15%。重组表达Vitreoscilla血红蛋白使Aurantiochytrium sp. SK4在微氧条件下虾青素含量提高9倍。
研究结论
破囊壶菌是DHA、角鲨烯和类胡萝卜素的优良生产菌株，但目前对DHA合成两条途径的关系、角鲨烯和类胡萝卜素生产动力学了解有限；随着基因组序列和遗传工具的发展，系统级代谢工程可进一步提高生产力。