Microbial xanthophylls
- 作者
- Prakash Bhosale, Paul S. Bernstein
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2005）
- DOI
- 10.1007/s00253-005-0032-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
叶黄素类胡萝卜素（xanthophylls）在人类健康与商业中需求巨大，但当前主要依赖化学合成，微生物生产潜力未充分开发。综述旨在梳理叶黄素的生物合成途径、商业用途及主要微生物来源，评估微生物技术作为商业化生产来源的可行性。
研究策略
系统综述叶黄素的生物合成（C5异戊二烯途径至C40类胡萝卜素），整理各类叶黄素（羟基类、酮基类、环氧类）的微生物生产者及产量数据，并讨论通过代谢工程、重组DNA技术、发酵培养基优化等策略提高产量的研究进展。
核心内容
该综述系统梳理了叶黄素类胡萝卜素的生物合成途径（从C5异戊二烯到C40类胡萝卜素）及其微生物生产现状，重点评估了以微生物技术替代化学合成作为商业化来源的可行性。通过汇总各微生物宿主的产量数据，发现藻类和细菌展现出不同的生产潜力：小球藻Chlorella protothecoides CS-41在异养氮限制补料分批培养中产叶黄素达225 μg/ml（240 h）；雨生红球藻Haematococcus pluvialis产虾青素可达30 mg/g（约3%干重），补料分批高密度培养达64.36 mg/l，是目前唯一已商业化的微生物叶黄素产品；而Gordonia jacobaea MV-1产角黄素高达13,373 μg/ml。代谢工程和重组DNA技术为在异源宿主（如大肠杆菌、酵母）中异源合成叶黄素提供了前景。尽管局部施用叶黄素可使UVB诱导的小鼠表皮增殖和红斑减少50%，显示其健康价值，但当前微生物生产仍面临产量低、周期长和缺乏大规模设施等障碍。该文指出，随着生物合成途径基因的鉴定和代谢工程手段的成熟，微生物来源的叶黄素有望在不久的将来成为化学合成的可行替代。
创新点
全面汇总了叶黄素、玉米黄质、β-隐黄质、虾青素、角黄素及环氧叶黄素的微生物来源与产量表；强调代谢工程和基因重组技术在异源宿主（如大肠杆菌、酵母）中合成叶黄素的前景；指出虾青素是唯一已商业化的微生物叶黄素产品。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chlorella protothecoides CS-41 | 叶黄素生物合成 | — | — | 催化 | 异养氮限制补料分批培养产叶黄素 225 μg/ml |
| Chlorella zofingiensis | 叶黄素/虾青素/角黄素生物合成 | — | — | 催化 | 叶黄素 21 μg/ml；虾青素 1 mg/g；盐胁迫低光下角黄素积累 |
| Muriellopsis sp. | 叶黄素生物合成 | — | — | 催化 | 户外管式光生物反应器产叶黄素 35 μg/ml |
| Dunaliella salina | 玉米黄质生物合成 | zeal | — | 催化 | zeal 突变体受损玉米黄质环氧途径，组成型积累玉米黄质 6 mg/g |
| Flavobacterium multivorum | 玉米黄质生物合成 | — | — | 催化 | 通过脱饱和、环化、羟基化积累玉米黄质，产量 1.6 mg/g |
| Paracoccus zeaxanthinifaciens | 玉米黄质生物合成 | — | — | 催化 | 从 Flavobacterium 菌株重分类而来，异戊二烯生物合成遗传背景已阐明 |
| Brevibacterium linens | β-隐黄质生物合成 | — | — | 催化 | 干酪成熟菌群，产 β-隐黄质 0.3 μg/ml |
| Haematococcus pluvialis | 虾青素生物合成 | — | — | 催化 | 逆境下在孢囊积累虾青素，产量 30 mg/g（3%干重）；高密度培养达 64.36 mg/l |
| Xanthophyllomyces dendrorhous (Phaffia rhodozyma) | 虾青素生物合成 | — | — | 催化 | 产虾青素 4 mg/g（0.40%干重），用于水产养殖 |
| Micrococcus roseus | 角黄素生物合成 | — | — | 催化 | 产角黄素 1.7 μg/ml |
| Gordonia jacobaea MV-1 | 角黄素生物合成 | — | — | 催化 | 产角黄素 13,373 μg/ml |
| Brevibacterium sp. KY-4313 | 角黄素生物合成 | — | — | 催化 | 产角黄素 9.3 μg/ml |
| Chlorella emersonii | 角黄素生物合成 | — | — | 催化 | 产角黄素 0.6 μg/ml |
| Escherichia coli | 玉米黄质/类胡萝卜素生物合成 | — | — | 催化 | 作为非类胡萝卜素宿主，通过转化类胡萝卜素质粒异源生产玉米黄质等 |
| Phormidium laminosum | 玉米黄质生物合成 | — | — | 催化 | 蓝藻，氮饥饿条件下产生玉米黄质 |
关键发现
- 叶黄素产量：Chlorella protothecoides CS-41 异养氮限制补料分批培养达 225 μg/ml（240 h）；Chlorella zofingiensis 为 21 μg/ml（360 h）；Muriellopsis sp. 为 35 μg/ml（240 h）。
- 玉米黄质产量：Dunaliella salina 突变体（zeal）组成型积累 6 mg/g；Flavobacterium multivorum 为
- 6 mg/g（32 h）。
- β-隐黄质：Brevibacterium linens 为
- 3 μg/ml（60 h）。
- 虾青素：Haematococcus pluvialis 达 30 mg/g（10-15 天，约3%干重），补料分批高密度培养可达
- 36 mg/l；Phaffia rhodozyma 为 4 mg/g（4-7天，约0.40%干重）；Chlorella zofingiensis 为 1 mg/g（10天）。
- 角黄素：Gordonia jacobaea MV-1 为 13,373 μg/ml（168 h）；Brevibacterium sp. KY-4313 为
- 3 μg/ml（96 h）；Micrococcus roseus 为
- 7 μg/ml（96 h）；Chlorella emersonii 为
- 6 μg/ml（264 h）。
- 局部涂抹叶黄素可使 UVB 诱导的小鼠表皮细胞增殖和红斑减少 50%。
- Euglena gracilis 暗培养时 antharxanthin 占类胡萝卜素 80% 以上。
研究结论
叶黄素类胡萝卜素在人类健康和商业中重要性日益增加，但目前化学合成仍满足大部分市场需求；微生物技术面临产量低、生产周期长、缺乏大规模生产设施等主要障碍。只有虾青素已作为微生物产品商业化。然而，随着叶黄素生物合成途径基因的鉴定和代谢工程的发展，微生物生产有望在不久的将来成为可行的商业来源。