Engineering Rhodosporidium toruloides with a membrane transporter facilitates production and separation of carotenoids and lipids in a bi-phasic culture
- 作者
- Jaslyn J.L Lee, Liwei Chen, Bin Cao, Wei Ning Chen
- 单位
- Advanced Environmental Biotechnology Centre, Nanyang Environment and Water Research Institute, Interdisciplinary Graduate School, Nanyang Technological University; School of Chemical and Biomedical Engineering, Nanyang Technological University; School of Civil and Environmental Engineering and Singapore Centre on Environmental Life Sciences Engineering, Nanyang Technological University
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s00253-015-7102-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
红冬孢酵母中类胡萝卜素和脂质均定位于细胞膜，导致产物收获与分离困难，传统提取方法步骤多、成本高且使用有机溶剂不环保。
研究策略
将酿酒酵母的ABC转运蛋白Pdr10基因通过农杆菌介导转化整合到红冬孢酵母，并在含葡萄籽油的双相培养基中培养，实现类胡萝卜素原位外排至油相，与胞内脂质自动分离；同时油作为额外碳源提高产量。
核心内容
本研究在红冬孢酵母（Rhodosporidium toruloides）中表达了来自酿酒酵母的ABC转运蛋白Pdr10，并通过农杆菌介导转化将其整合至基因组。在含葡萄籽油的双相培养基中进行培养，使类胡萝卜素原位分泌至油相中，从而实现与胞内脂质的自动分离，同时葡萄籽油作为额外碳源促进产物积累。结果显示，Pdr10菌株的总类胡萝卜素产量由野生型的1.9 μg/mg提升至2.9 μg/mg，其中外排量达1.8 μg/mg，而野生型仅为0.3 μg/mg；torulene是最有效外排的类胡萝卜素，外排量达1.1 μg/mg。脂肪酸总产量也从0.07 mg/mg提高至0.09 mg/mg，且脂肪酸组成改变，C18:2成为主要不饱和脂肪酸；胞内甘油水平升高表明葡萄籽油被细胞利用。该研究首次在红冬孢酵母中引入外源ABC转运蛋白实现类胡萝卜素分泌，双相培养使生产与分离同步完成，提供了一种无需有机溶剂的绿色提取策略，可推广至其他产类胡萝卜素和脂质的微生物体系。
创新点
首次在红冬孢酵母中表达外源ABC转运蛋白Pdr10实现类胡萝卜素的分泌和分离；双相培养体系使类胡萝卜素和脂质生产与分离同步完成；无需有机溶剂提取，绿色环保。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodosporidium toruloides CBS 5490 | 类胡萝卜素生物合成/转运 | Pdr10 | Pdr10 ABC转运蛋白 | 转运 | 从酿酒酵母导入，使类胡萝卜素外排至油相 |
| Saccharomyces cerevisiae | — | Pdr10 | Pdr10 ABC转运蛋白 | 转运 | Pdr10基因来源 |
| Rhodosporidium toruloides CBS 5490 | 类胡萝卜素转运 | — | 内源ABC转运蛋白 | 转运 | 野生型也能少量外排类胡萝卜素 |
| Rhodosporidium toruloides CBS 5490 | 油脂降解/脂质代谢 | — | 分泌型脂肪酶（lipase） | 催化 | 水解葡萄籽油为甘油和游离脂肪酸，提供额外碳源 |
关键发现
- Pdr10菌株在双相培养基中总类胡萝卜素产量从野生型的1.9 μg/mg提高到2.9 μg/mg
- Pdr10菌株外排类胡萝卜素1.8 μg/mg，而野生型仅0.3 μg/mg
- torulene是最有效外排的类胡萝卜素（外排1.1 μg/mg）
- 脂肪酸总产量从0.07 mg/mg提高到0.09 mg/mg
- 脂肪酸组成发生改变，不饱和脂肪酸C18:2成为主要脂肪酸
- 细胞内甘油水平升高，表明葡萄籽油被细胞消耗。
研究结论
在红冬孢酵母中表达Pdr10转运蛋白并采用双相培养，可以显著提高类胡萝卜素和脂质产量，同时实现类胡萝卜素的原位提取和与胞内脂质的分离，是一种简单、绿色的提取分离方法，可推广至其他产类胡萝卜素和脂质的微生物。