Metabolic engineering for the microbial production of carotenoids and related products with a focus on the rare C50 carotenoids
- 作者
- Sabine A. E. Heider, Petra Peters-Wendisch, Volker F. Wendisch, Jules Beekwilder, Trygve Brautaset
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1007/s00253-014-5693-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过代谢工程在微生物中高效生产类胡萝卜素，尤其是稀有C50类胡萝卜素及其糖基化衍生物
研究策略
系统总结优化IPP/类胡萝卜素前体供应的代谢工程策略（MEP/MVA途径工程、异源表达、杂合途径构建），重点解析C50类胡萝卜素生物合成关键酶（延长酶、环化酶、糖基转移酶）及其在多种宿主中的异源生产
核心内容
该综述系统梳理了通过代谢工程在微生物中高效生产类胡萝卜素、特别是稀有C50类胡萝卜素及其糖基化衍生物的路径与策略。作者围绕异戊二烯前体供应这一核心瓶颈，总结了MEP与MVA途径工程、异源表达及杂合途径构建等方法，并重点分析了C50类胡萝卜素生物合成中的关键酶，包括C50延长酶、异源二聚体环化酶和葡萄糖基转移酶的系统发育特征。在多种宿主中的工程实践显示，E. coli经番茄红素途径改造后产量可达33 mg/g DW，高密度发酵下体积产量达220 mg/L；C. glutamicum中天然decaprenoxanthin过表达产量达3.9 mg/g DW，异源生产sarcinaxanthin和C.p. 450分别达3.4和2.7 mg/g DW；P. putida中玉米黄质经两相提取后产量可达239 mg/L。这些结果表明，通过前体强化与末端途径改造，多种微生物已能实现毫克级每克干细胞重的高产，其中C. glutamicum在稀有C50类胡萝卜素及其糖苷生产中表现出突出潜力，该类化合物因优越抗氧化性和糖基化后水溶性提升而具有广阔应用前景。
创新点
综述首次系统聚焦稀有C50类胡萝卜素的生物合成酶学特征，包括C50延长酶、异源二聚体C50环化酶和C50葡萄糖基转移酶的系统发育分类，并汇总了多种底盘细胞中C50类胡萝卜素的高产工程实例
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP途径 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 过表达提高IPP/DMAPP前体供应，增加类胡萝卜素产量 |
| Escherichia coli | MEP途径 | idi | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | IPP与DMAPP异构化 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素/番茄红素合成 | crtE, crtB, crtI | GGPP合酶、八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 从IPP合成番茄红素，产量达33 mg/g DW |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径 | tHMG1 | 截短型3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 去调控的HMGR，提高前体供应 |
| Saccharomyces cerevisiae | β-胡萝卜素合成 | crtE, crtYB, crtI | GGPP合酶、融合型八氢番茄红素合酶/环化酶、八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous，实现β-胡萝卜素5.9 mg/g DW |
| Corynebacterium glutamicum | C50类胡萝卜素合成 | crtEb | 番茄红素延长酶 | 催化 | 催化DMAPP加到番茄红素C2位，形成线性C50中间体黄黄质 |
| Corynebacterium glutamicum | C50类胡萝卜素合成 | crtYc, crtYf | 异源二聚体C50 ε-环化酶 | 催化 | 催化flavuxanthin环化生成decaprenoxanthin |
| Corynebacterium glutamicum | C50类胡萝卜素糖基化 | crtX | C50类胡萝卜素葡萄糖基转移酶 | 催化 | 催化decaprenoxanthin二糖苷化，也糖基化sarcinaxanthin和C.p. 450 |
| Micrococcus luteus | C50类胡萝卜素合成 | crtE2, crtYg, crtYh | 番茄红素延长酶和异源二聚体C50 γ-环化酶 | 催化 | 合成sarcinaxanthin，E. coli异源表达产量2.5 mg/g DW |
| Dietzia sp. CQ4 | C50类胡萝卜素合成 | lbtA, lbtBC | C50 β-环化酶亚基和融合番茄红素延长酶 | 催化 | 合成β-环状C50类胡萝卜素C.p. 450 |
| Pseudomonas putida | 玉米黄质合成 | crtE, crtI, crtB, crtY, crtZ | 类胡萝卜素合成酶系 | 催化 | 异源生产玉米黄质7 mg/g DW，两相萃取达239 mg/L |
| Bacillus subtilis | MEP途径 | dxs, idi, ads | DXS、IPP异构酶、FPP环化酶 | 催化 | 过表达dxs提高异戊二烯产量40%，amorphadiene达20 mg/L |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素合成 | pds | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 定点突变提高虾青素产量，该藻类积累类胡萝卜素可达干重3% |
关键发现
- 在E. coli中，通过代谢工程番茄红素产量可达33 mg/g DW，高细胞密度发酵下体积产量达220 mg/L；在S. cerevisiae中引入Xanthophyllomyces dendrorhous的crtE/crtYB/crtI并去调控甲羟戊酸途径，β-胡萝卜素产量达5.9 mg/g DW，而虾青素仅29 μg/g DW；在P. putida中异源表达类胡萝卜素基因并强化IPP合成，玉米黄质积累达7 mg/g DW（约50 mg/L），经油酸和卵磷脂两相提取产量可达239 mg/L；在C. glutamicum中通过改造末端类胡萝卜素途径，天然decaprenoxanthin过表达产量达3.9±0.2 mg/g DW，异源生产sarcinaxanthin和C.p. 450分别达3.4±0.1和2.7±0.2 mg/g DW，β-胡萝卜素达4.0±0.5 mg/g DW，玉米黄质约1 mg/g DW；在E. coli中异源表达M. luteus基因产生sarcinaxanthin
- 5 mg/g DW；B. subtilis中过表达dxs使异戊二烯产量提高40%，amorphadiene最高约20 mg/L；Aureobacterium sp.通过添加D-psicose产decaprenoxanthin
- 7 mg/g DW；Haematococcus pluvialis积累类胡萝卜素可达干重的3%。
研究结论
通过代谢工程，多种微生物宿主（E. coli、S. cerevisiae、C. glutamicum、B. subtilis、P. putida等）已实现C30、C40和C50类胡萝卜素的异源或同源过量生产，其中C. glutamicum能够高效生产稀有C50类胡萝卜素及其糖苷，产量达每克干重毫克级。C50类胡萝卜素具有优越的抗氧化性能，其糖基化可提高水溶性，并可进一步裂解为norisoprenoid等衍生化合物，具有广阔的应用前景。