Biotechnological production of astaxanthin with Phaffia rhodozyma/Xanthophyllomyces dendrorhous
- 作者
- Isabell Schmidt, Hendrik Schewe, Sören Gassel, Chao Jin, John Buckingham, Markus Hümbelin, Gerhard Sandmann, Jens Schrader
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2010）
- DOI
- 10.1007/s00253-010-2976-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用Phaffia rhodozyma（Xanthophyllomyces dendrorhous）经济高效地生物技术生产虾青素，以替代化学合成并满足日益增长的市场需求
研究策略
综述虾青素生物合成途径的分子机制和关键酶（Asy/Asr），通过遗传工程（代谢工程）、随机诱变和发酵过程优化等策略提高P. rhodozyma的虾青素产量，并与其他天然来源及化学合成进行比较
核心内容
该综述系统总结了利用Phaffia rhodozyma（Xanthophyllomyces dendrorhous）生物技术生产虾青素的分子机制与工程策略。研究阐明虾青素合酶Asy为双功能细胞色素P450单加氧酶，并鉴定其特异性还原酶Asr，同时梳理了crtYB、crtI、idi等关键基因在类胡萝卜素途径中的作用。在产量提升方面，野生型菌株虾青素含量约200–400 μg/g干细胞，突变株可达1000 μg/g以上；原生质体融合菌株总类胡萝卜素达1.6 mg/g干细胞，最高体积产率约5 mg/L/h，临界溶解氧浓度为10–20%空气饱和度。过表达crtYB虽提高总类胡萝卜素但导致中间体积累，提示Asy为限速步骤；在E. coli中表达P. rhodozyma的idi基因可使类胡萝卜素含量提高数倍，而酿酒酵母共表达asy和asr仅实现低水平合成。文章还指出2007年虾青素全球市场为2.19亿美元，合成品价格约2000美元/kg，天然品超7000美元/kg。研究意味着P. rhodozyma是具潜力的生产菌株，但需结合代谢工程与发酵优化才能与化学合成在成本上竞争。
创新点
系统阐明了P. rhodozyma中虾青素合酶Asy为双功能细胞色素P450单加氧酶，并鉴定其特异性还原酶Asr；提出通过改造crtYB、crtI、asy等基因以及优化补料分批、两阶段发酵等工艺提升产量的策略
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Phaffia rhodozyma (Xanthophyllomyces dendrorhous) | 类胡萝卜素生物合成途径（甲羟戊酸途径） | crtYB | 双功能酶：八氢番茄红素合酶/番茄红素环化酶 | 催化 | 融合基因，负责从GGPP合成八氢番茄红素以及番茄红素环化生成β-胡萝卜素 |
| Phaffia rhodozyma (Xanthophyllomyces dendrorhous) | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素逐步脱氢生成番茄红素及3,4-脱氢番茄红素 |
| Phaffia rhodozyma (Xanthophyllomyces dendrorhous) | 类胡萝卜素生物合成途径 | asy | 虾青素合酶（细胞色素P450单加氧酶） | 催化 | 催化β-胡萝卜素转化为虾青素，具有3-羟化和4-酮化活性 |
| Phaffia rhodozyma (Xanthophyllomyces dendrorhous) | 类胡萝卜素生物合成途径 | asr（又称crtR） | 虾青素合酶还原酶（细胞色素P450还原酶） | 能量供给 | 为Asy提供电子，是虾青素合成所必需 |
| Phaffia rhodozyma (Xanthophyllomyces dendrorhous) | 甲羟戊酸途径 | idi | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP互变，过表达不影响P. rhodozyma类胡萝卜素含量 |
| Escherichia coli | MEP途径 | idi（来自P. rhodozyma） | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 在E. coli中表达可提高类胡萝卜素含量数倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 异源类胡萝卜素途径 | asy + asr | 虾青素合酶及其还原酶 | 催化 | 在非类胡萝卜素酵母中共表达可实现虾青素合成，但水平较低 |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成途径 | bkt1 | β-胡萝卜素酮化酶 | 催化 | 其基因用于转基因土豆等植物，属于异源表达 |
| Paracoccus carotinifaciens | 虾青素生物合成 | — | 类胡萝卜素合成酶 | 催化 | 商业生产虾青素的细菌来源 |
| Adonis palaestina (植物) | 虾青素合成 | — | — | 催化 | 花瓣中虾青素含量经育种提高到17.9 mg/g干重 |
关键发现
- 虾青素全球市场2007年达2.19亿美元，预计2015年达2.53亿美元
- 合成虾青素市场价约2000美元/kg，天然虾青素超过7000美元/kg
- P. rhodozyma中虾青素占总类胡萝卜素的83-87%，野生型产量约200-400 μg/g干重，突变株可达1000 μg/g干重以上
- 原生质体融合获得总类胡萝卜素1.6 mg/g干重
- 最高体积产率约5 mg/L/h，Y_P/X大于6.6 mg/g细胞干重（14 L反应体积）
- 临界溶解氧浓度为10-20%空气饱和度
- 过表达crtYB可提高总类胡萝卜素但导致β-胡萝卜素和酮类中间体积累，表明Asy是下一步限速步骤
- 在E. coli中表达P. rhodozyma的idi基因可使类胡萝卜素含量提高数倍
- 在S. cerevisiae中共表达asy和asr可实现虾青素合成但水平较低
研究结论
P. rhodozyma是虾青素生物技术生产的有潜力菌株，通过加深对生物合成途径的理解和代谢工程改造，有望提高其经济竞争力，但要与化学合成在价格上竞争仍需显著技术进步