Characterization of bacterial β-carotene 3,3'-hydroxylases, CrtZ, and P450 in astaxanthin biosynthetic pathway and adonirubin production by gene combination in Escherichia coli
- 作者
- Seon-Kang Choi, Satoru Matsuda, Takayuki Hoshino, Xue Peng, Norihiko Misawa
- DOI
- 10.1007/s00253-006-0426-2
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
比较不同细菌来源的β-胡萝卜素3,3'-羟化酶(CrtZ)和P450单加氧酶(CYP175A1)的催化效率，确定最适合在异源宿主中高效生产虾青素和阿多尼红素的基因。
研究策略
利用大肠杆菌互补分析，将不同来源的crtZ基因或CYP175A1基因导入能合成角黄素或β-胡萝卜素的工程菌株中，通过HPLC分析积累的类胡萝卜素种类和比例，比较各酶的催化效率。
核心内容
本研究系统比较了不同细菌来源的β-胡萝卜素3,3'-羟化酶（CrtZ）及P450单加氧酶（CYP175A1）在虾青素合成途径中的催化效率，旨在筛选最适合异源高效生产虾青素和阿多尼红素的基因。研究者将来自Brevundimonas sp. SD212、Pantoea ananatis、Paracoccus sp. PC1、海洋细菌P99-3等来源的crtZ基因，以及Thermus thermophilus HB27的CYP175A1基因，分别导入能积累角黄素或β-胡萝卜素的大肠杆菌工程菌株中，通过HPLC分析类胡萝卜素组成与比例。结果显示，在积累角黄素的菌株中表达CYP175A1时，阿多尼红素为主要产物（占57%），另有3'-羟基海胆酮27%和角黄素15%；Brevundimonas sp. SD212的CrtZ在所有测试菌株中虾青素生产效率最高；海洋细菌P99-3的CrtZ同源物被证实具有双环3,3'-羟化酶活性，可生成虾青素和玉米黄素。该研究明确了SD212的crtZ与HB27的CYP175A1分别适用于高效生产虾青素和阿多尼红素，为异源宿主中定向合成这两种高价值类胡萝卜素提供了基因元件选择依据。
创新点
首次验证海洋细菌P99-3的CrtZ同源物具有双环类胡萝卜素3,3'-羟化酶活性；首次证明通过组合表达CYP175A1与CrtW可在异源宿主中积累阿多尼红素作为主要产物；发现Brevundimonas sp. SD212的CrtZ在虾青素生产中效率最高。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli JM109 | 虾青素生物合成途径 | crtZ | CrtZ (Brevundimonas sp. SD212) | 催化 | 表现出最高的虾青素生产效率 |
| Escherichia coli JM109 | 虾青素生物合成途径 | crtZ | CrtZ (Pantoea ananatis) | 催化 | 来自γ-变形菌 |
| Escherichia coli JM109 | 虾青素生物合成途径 | crtZ | CrtZ (Paracoccus sp. PC1) | 催化 | 来自α-变形菌 |
| Escherichia coli JM109 | 虾青素生物合成途径 | crtZ | CrtZ (Paracoccus sp. N81106) | 催化 | 来自α-变形菌 |
| Escherichia coli JM109 | 虾青素生物合成途径 | crtZ | CrtZ同源物 (海洋细菌P99-3) | 催化 | 首次证实其具有双环类胡萝卜素3,3'-羟化酶活性 |
| Escherichia coli JM109 | 虾青素生物合成途径 | CYP175A1 | P450单加氧酶 CYP175A1 (Thermus thermophilus HB27) | 催化 | 表达该基因的菌株积累阿多尼红素为主(57%) |
| Escherichia coli JM109 | 虾青素生物合成途径 | crtW | CrtW (Paracoccus sp. N81106) | 催化 | β-胡萝卜素4,4'-酮醇酶，用于合成角黄素 |
关键发现
- 在积累角黄素的E. coli中，表达CYP175A1的菌株以阿多尼红素为主(57%)，另有3'-羟基海胆酮27%、角黄素15%
- Brevundimonas sp. SD212的CrtZ在所有测试菌株中虾青素生产效率最高
- 海洋细菌P99-3的CrtZ同源物被证实具有双环类胡萝卜素3,3'-羟化酶活性，可产生虾青素和玉米黄素
- 对于β-胡萝卜素向玉米黄素的转化，各酶催化效率无显著差异。
研究结论
Brevundimonas sp. SD212的crtZ基因和Thermus thermophilus HB27的CYP175A1基因可分别用于在异源宿主中高效生产虾青素和阿多尼红素。