Production and glucosylation of C50 and C40 carotenoids by metabolically engineered Corynebacterium glutamicum
- 作者
- Sabine A. E. Heider, Petra Peters-Wendisch, Roman Netzer, Marit Stafnes, Trygve Brautaset, Volker F. Wendisch
- 单位
- Genetics of Prokaryotes, Faculty of Biology, Bielefeld University; SINTEF Materials and Chemistry; Department of Biotechnology, Norwegian University of Science and Technology
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2013）
- DOI
- 10.1007/s00253-013-5359-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
产C50和C40类胡萝卜素及其糖基化衍生物，并鉴定谷氨酸棒杆菌中负责类胡萝卜素糖基化的基因和酶。
研究策略
以谷氨酸棒杆菌LYC1为产番茄红素平台菌株，通过质粒过表达内源或异源类胡萝卜素合成基因，并通过染色体敲除crtX或表达不同来源的crtX基因，实现多种C50和C40类胡萝卜素及其糖苷的生产。
核心内容
本研究以谷氨酸棒杆菌番茄红素高产菌株LYC1为平台，通过质粒过表达内源及异源类胡萝卜素合成基因（如crtE、crtB、crtI、crtY及crtEb），并利用染色体敲除或异源回补crtX糖基转移酶，实现了C50和C40类胡萝卜素及其糖基化衍生物的多样化生产。结果显示，过表达相关基因使decaprenoxanthin产量较对照提高20倍，达3.5~3.9 mg/g CDW；LYC1产番茄红素0.79 mg/g CDW，为野生型的120倍以上；工程菌SAX1产sarcinaxanthin 3.4 mg/g CDW，BCR和ZEA分别产β-胡萝卜素3.95和3.15 mg/g CDW，后者还积累玉米黄质0.88 mg/g CDW。实验首次证明Pantoea ananatis的CrtX能糖基化C50类胡萝卜素decaprenoxanthin，并鉴定谷氨酸棒杆菌cg0730/crtX编码的糖基转移酶功能；敲除该基因完全消除糖基化，回补则恢复。研究还发现不同来源CrtX对底物选择性存在差异，仅P. ananatis来源能糖基化玉米黄质。结果表明谷氨酸棒杆菌是生产多种糖基化及非糖基化C40/C50类胡萝卜素的优良宿主，终端途径工程即可达到与其它宿主相当或更优的产量。
创新点
首次证明Pantoea ananatis的CrtX能糖基化C50类胡萝卜素decaprenoxanthin；鉴定并功能验证了谷氨酸棒杆菌cg0730/crtX编码的类胡萝卜素糖基转移酶；构建了基于LYC1的类胡萝卜素生产平台菌株，实现了脱糖基和糖基化的多种C50/C40类胡萝卜素生产。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtE | GGPP合成酶 | 催化 | 催化IPP/DMPP合成GGPP，是类胡萝卜素途径的初始步骤 |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtB | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 催化GGPP生成八氢番茄红素 |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素 |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | C50类胡萝卜素生物合成途径 | crtEb | 番茄红素延长酶 | 催化 | 催化番茄红素二异戊烯化生成flavuxanthin |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | C50类胡萝卜素生物合成途径 | crtY | 类胡萝卜素ε-环化酶（异源二聚体） | 催化 | 催化flavuxanthin环化生成decaprenoxanthin |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | 类胡萝卜素糖基化修饰 | cg0730/crtX | CrtX糖基转移酶 | 催化 | 催化decaprenoxanthin、sarcinaxanthin和C.p.450的糖基化，不糖基化玉米黄质 |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtE2, crtYg/crtYh | M. luteus的C50类胡萝卜素环化/延长酶 | 催化 | 异源表达用于合成sarcinaxanthin |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | 类胡萝卜素生物合成途径 | lbtA, lbtBC | Dietzia sp. CQ4的C50类胡萝卜素环化/延长酶 | 催化 | 密码子优化后异源表达用于合成C.p.450 |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | C40类胡萝卜素生物合成途径 | crtYPa (PANA_4160) | 番茄红素环化酶 | 催化 | 来自Pantoea ananatis，催化番茄红素生成β-胡萝卜素 |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | C40类胡萝卜素生物合成途径 | crtZPa (PANA_4163) | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 来自Pantoea ananatis，催化β-胡萝卜素羟化生成玉米黄质 |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | 类胡萝卜素糖基化修饰 | crtXMl | CrtX糖基转移酶（M. luteus） | 催化 | 可糖基化decaprenoxanthin、sarcinaxanthin和C.p.450 |
| Corynebacterium glutamicum ATCC13032 | 类胡萝卜素糖基化修饰 | crtXPa | 玉米黄质糖基转移酶（P. ananatis） | 催化 | GT-B折叠糖基转移酶，可糖基化玉米黄质，也能糖基化decaprenoxanthin |
| Corynebacterium glutamicum LYC1 | 番茄红素生物合成途径 | crtE, crtB, crtI | GGPP合成酶、八氢番茄红素合成酶、八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | LYC1为ΔcrtYEb(pVWEx1-crtEBI)平台菌株，产番茄红素 |
关键发现
- 过表达crtE、crtB、crtI及crtY、crtEb使decaprenoxanthin产量比对照提高20倍，达3.5-3.9 mg/g CDW；工程菌LYC1产番茄红素0.79±0.09 mg/g CDW，比野生型高120倍以上；SAX1产sarcinaxanthin
- 4±0.1 mg/g CDW，CP1产C.p.450
- 7±0.2 mg/g CDW；BCR产β-胡萝卜素3.95±0.52 mg/g CDW，ZEA产β-胡萝卜素3.15±0.09 mg/g CDW和玉米黄质0.88±0.05 mg/g CDW；敲除crtX后不再糖基化，回补crtX恢复糖基化；M. luteus和P. ananatis的CrtX也能糖基化decaprenoxanthin，但只有P. ananatis的CrtX能糖基化玉米黄质。
研究结论
谷氨酸棒杆菌是生产多种糖基化和非糖基化C40和C50类胡萝卜素的优良宿主，通过终端途径工程即可达到与或优于其他宿主的产量。