Biochemical properties of retinoid-converting enzymes and biotechnological production of retinoids
- 作者
- Seung-Hye Hong, Kyoung-Rok Kim, Deok-Kun Oh
- 单位
- Konkuk University
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s00253-015-6830-8
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
总结类维生素A转化酶（RDH、ADH、AKR、ALDH、ARAT等）的生化特性、活性位点和反应机理，并介绍利用这些酶及代谢工程细胞生产类维生素A的方法，重点关注细菌来源的酶。
研究策略
系统综述动物和细菌来源的类维生素A转化酶，比较其生化性质、动力学参数、活性位点与反应机制；整理酶法生物转化及代谢工程大肠杆菌生产类维生素A的最新进展，并提出未表征细菌蛋白作为候选酶源。
研究路线图
核心内容
该综述系统总结了类维生素A转化酶（RDH、ADH、AKR、ALDH、ARAT等）的生化特性、活性位点及反应机理，重点比较了动物与细菌来源酶的性质差异，并梳理了基于这些酶和代谢工程细胞生产类维生素A的最新进展。研究发现，细菌来源的转化酶较动物酶更稳定、易重组表达且成本低，在酶法转化中表现出优异性能：海洋细菌BCO以350 mg/L β-胡萝卜素为底物产视网膜达181 mg/L（转化率52%，产率9.1 mg/L/h）；M. tractuosa AKR产全反式视黄醇最高1090 mg/L；B. cereus ALDH产维A酸63 mg/L。代谢工程大肠杆菌过表达ybbO摇瓶培养72 h可产视网膜7 mg/L、视黄醇78 mg/L、维A酸24 mg/L，经补料分批优化后视网膜产量提升至600 mg/L（产率18 mg/L/h）。尽管动物ALDHA2的催化效率优于细菌同源酶，但细菌酶的工业适用性更具潜力。作者提出Hyalangium minutum、Cystobacter violaceus等未表征细菌蛋白可作为新候选酶源，并指出代谢工程细胞生产类维生素A虽处早期阶段，未来有望替代化学法实现工业化。
创新点
聚焦细菌来源的类维生素A转化酶，提出未表征细菌蛋白（如来源于Hyalangium minutum、Cystobacter violaceus等）可作为新的候选酶；整合代谢工程大肠杆菌从甘油生产视网膜、视黄醇和维A酸的方法，并提出提高产量的策略。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 类维生素A生物合成 | ybbO | retinol dehydrogenase (RDH) | 催化 | 代谢工程大肠杆菌中过表达ybbO，72 h产视黄醇78 mg/L。 |
| Escherichia coli | β-胡萝卜素合成 | BCO | β-胡萝卜素15,15'-加氧酶 | 催化 | 引入海洋细菌BCO基因，从甘油生产视网膜，优化后产量600 mg/L。 |
| Marivirga tractuosa | 类维生素A代谢 | — | aldo-keto reductase (AKR) | 催化 | 催化all-trans-视网膜还原为all-trans-视黄醇，产量1090 mg/L，比活力最高。 |
| Kangiella koreensis | 类维生素A代谢 | — | alcohol dehydrogenase (ADH) | 催化 | 最适温度65°C，催化视网膜与视黄醇互变，甲醇为最优溶剂。 |
| Bacillus cereus | 类维生素A代谢 | — | aldehyde dehydrogenase (ALDH) | 催化 | 催化视网膜氧化为维A酸，产量63 mg/L，2-巯基乙醇为适宜抗氧化剂。 |
| Myxococcus xanthus | 类维生素A代谢 | rdh | retinol dehydrogenase (RDH) | 催化 | 活性位点含Tyr194和Lys198，基于人RDH同源建模。 |
| Homo sapiens | 类维生素A代谢 | AKR1B10 | aldo-keto reductase 1B10 | 催化 | 对all-trans-视网膜具有最高的kcat/Km。 |
关键发现
- 海洋细菌BCO酶法生产视网膜最高达181 mg/L（底物β-胡萝卜素350 mg/L，转化率52% w/w，产率9.1 mg/L/h）
- M. tractuosa AKR酶法生产all-trans-视黄醇最高达1090 mg/L（底物all-trans-视网膜1710 mg/L，转化率64% w/w，体积产率818 mg/L/h）
- B. cereus ALDH酶法生产维A酸最高达63 mg/L（底物视网膜120 mg/L，转化率53% w/w，产率15.8 mg/L/h）
- 代谢工程大肠杆菌过表达ybbO在摇瓶中培养72 h产视网膜7 mg/L、视黄醇78 mg/L、维A酸24 mg/L（产率分别为0.1、1.1、0.33 mg/L/h）
- 优化补料分批培养后视网膜产量达600 mg/L（33 h，产率18 mg/L/h）
- 大鼠ALDHA2氧化all-trans-视网膜的kcat/Km和kcat分别比B. cereus ALDH高21倍和75倍
- M. tractuosa AKR对all-trans-视网膜的比活力最高。
研究结论
细菌类维生素A转化酶相比动物来源酶更稳定、易重组表达且成本低；未表征的细菌蛋白（如RDH、ADH、AKR、ALDH、ARAT候选）有望成为新的类维生素A转化酶；利用代谢工程细胞表达细菌酶生产类维生素A是可行方法，但尚处早期阶段，未来可望替代化学法实现工业化生产。