Metabolic engineering towards biotechnological production of carotenoids in microorganisms
- 作者
- P.C. Lee, C. Schmidt-Dannert
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2002）
- DOI
- 10.1007/s00253-002-1101-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何在非类胡萝卜素产生微生物中实现类胡萝卜素的高效生物合成与结构多样化
研究策略
综述了代谢工程改造微生物生产类胡萝卜素的主要策略，包括优化异戊二烯前体供应、平衡类胡萝卜素基因表达、选择异源宿主、以及利用组合生物合成和体外进化扩展类胡萝卜素结构多样性
研究路线图
核心内容
该文系统综述了通过代谢工程在微生物中生产类胡萝卜素的关键策略与技术进展。作者围绕优化异戊二烯前体供应、平衡类胡萝卜素合成基因表达、选择合适的异源宿主以及利用组合生物合成和体外进化拓展产物结构多样性等核心方向展开论述。关键结果包括：在大肠杆菌中过表达dxs可使番茄红素产量提高2–3倍，过表达idi使番茄红素提高3.6–4.5倍，β-胡萝卜素产量达1.3 mg/g DCW；过表达crtE、idi和ispA可使虾青素产量提升12倍至390 μg/g DCW，而来自Archaeoglobus fulgidus的gps与idi共表达使虾青素达1418.8 μg/g DCW；定向进化gps与dxs共表达使番茄红素产量达到45 mg/g DCW。此外，通过mRNA稳定性工程可改变β-胡萝卜素与番茄红素的比例达300倍，在Candida utilis中过表达HMG-CoA还原酶并破坏erg9使番茄红素产量达7.8 mg/g DW。该综述表明代谢工程改造已显著提升类胡萝卜素产量，但距离天然高产菌株仍有差距，核心瓶颈在于异戊二烯前体供应和脂溶性产物的储存能力。文章强调未来需系统分析代谢通量、理解酶间相互作用，并开发更适宜的宿主或储存系统，这些认识对指导后续合成生物学改造具有重要意义。
创新点
系统总结了组合不同来源的类胡萝卜素基因及定向进化改造类胡萝卜素酶，以合成自然界不存在的新型类胡萝卜素
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 非甲羟戊酸途径 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | 过表达使番茄红素产量提高2-3倍 |
| Escherichia coli | 非甲羟戊酸途径 | idi | 异戊烯焦磷酸异构酶 | 催化 | 过表达使番茄红素提高3.6-4.5倍，β-胡萝卜素提高2.7倍（1.3 mg/g DCW） |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成 | crtE | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 与idi、ispA共表达使虾青素产量提高12倍（390 μg/g DCW） |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成 | gps | 来自Archaeoglobus fulgidus的GGPP合酶 | 催化 | 与idi共表达使虾青素产量达1418.8 μg/g DCW；定向进化后与dxs共表达使番茄红素达45 mg/g DCW |
| Escherichia coli | 糖酵解/非甲羟戊酸途径 | pps | 磷酸烯醇式丙酮酸合酶 | 催化 | 过表达使番茄红素产量提高5倍 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 可引入不同数量的双键；来自Rhodobacter的三步脱氢酶经定向进化可变为四步脱氢酶合成番茄红素 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成 | crtY | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 催化番茄红素环化生成β-胡萝卜素 |
| Candida utilis | 甲羟戊酸途径 | HMGR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 过表达并破坏erg9使番茄红素产量达7.8 mg/g DW |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素合成 | crtE | GGPP合酶 | 催化 | 异源表达Erwinia基因实现番茄红素和β-胡萝卜素生产 |
关键发现
- 过表达dxs使番茄红素产量提高2-3倍
- 过表达idi使番茄红素提高3.6-4.5倍，β-胡萝卜素提高2.7倍至1.3 mg/g DCW
- 共表达idi与dxs/dxr使玉米黄质达1.6 mg/g DCW
- 过表达idi使虾青素产量提高6倍
- 在E. coli中过表达crtE、idi和ispA使虾青素产量提高12倍（390 μg/g DCW）
- 用来自A. fulgidus的gps与idi共表达使虾青素产量达1418.8 μg/g DCW
- 定向进化gps与dxs共表达使番茄红素产量达45 mg/g DCW
- 过表达pps使番茄红素产量提高5倍
- 通过mRNA稳定性工程使β-胡萝卜素与番茄红素的比例改变300倍
- 在Candida utilis中过表达HMG-CoA还原酶并破坏erg9使番茄红素产量达7.8 mg/g DW
研究结论
代谢工程改造微生物生产类胡萝卜素已取得显著进展，但产量仍不及天然高产菌株。关键瓶颈包括异戊二烯前体供应和脂溶性类胡萝卜素的储存能力。未来需要系统分析通量、理解酶相互作用及开发更合适的宿主或储存系统。