Metabolic Engineering for Carotenoid Production Using Eukaryotic Microalgae and Prokaryotic Cyanobacteria
- 作者
- Yuichi Kato, Tomohisa Hasunuma
- 单位
- Graduate School of Science, Technology and Innovation, Kobe University
- 杂志
- Carotenoids: Biosynthetic and Biofunctional Approaches（2021）
- DOI
- 10.1007/978-981-15-7360-6_10
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微藻和蓝藻虽能通过光合作用生产多种类胡萝卜素，但产量不足以满足商业化需求，亟需通过代谢工程提高类胡萝卜素生产率。
研究策略
系统综述了通过基因工程（过表达限速酶基因）、诱变育种（随机突变与筛选）以及基因组编辑（CRISPR-Cas9）等手段对微藻和蓝藻进行代谢改造，以提高类胡萝卜素积累的策略。
研究路线图
核心内容
该研究系统综述了通过代谢工程提升微藻和蓝藻类胡萝卜素产量的策略，涵盖过表达限速酶基因、诱变育种及CRISPR-Cas9基因组编辑等途径。关键靶点集中于MEP途径中的dxs、八氢番茄红素合成酶（PSY）和脱饱和酶（PDS）等。结果显示，在集胞藻PCC6803中过表达dxs使总类胡萝卜素含量增加1.5倍；在三角褐指藻中过表达dxs使岩藻黄质提升2.4倍，过表达PSY使其提升1.45至1.8倍。在莱茵衣藻中过表达盐藻psy使紫黄质、叶黄素和β-胡萝卜素分别提高2.0、2.6和1.25倍。诱变育种使雨生红球藻的虾青素提高2.08倍，而敲除集胞藻中crtO并共过表达crtB和crtP可使总类胡萝卜素进一步提升。工作表明代谢工程是提升微藻类胡萝卜素生产的有效手段，但需更多物种特异数据和筛选方法，并发展非转基因品系以满足户外养殖与食品应用需求。
创新点
总结了MEP途径、八氢番茄红素合成酶（PSY）、八氢番茄红素脱饱和酶（PDS）等关键靶点的改造效果；介绍了利用CRISPR-Cas9敲除竞争性酶基因以及通过非GMO诱变育种获得高产菌株的方法。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC6803 | MEP pathway | dxs | DXS | 催化 | 过表达dxs使总类胡萝卜素含量提高1.5倍 |
| Phaeodactylum tricornutum | MEP pathway | dxs | DXS | 催化 | 过表达dxs使岩藻黄质含量提高2.4倍 |
| Chlamydomonas reinhardtii | MEP pathway | ggps | GGPS | 催化 | 来自Sulfolobus acidocaldarius的ggps过表达，类胡萝卜素含量无显著变化 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素合成途径 | psy | PSY | 催化 | 来自Dunaliella salina的psy过表达使violaxanthin、lutein、β-carotene、neoxanthin分别提高2.0、2.6、1.25、1.8倍；来自Chlorella zofingiensis的psy过表达使lutein和violaxanthin提高2.0和2.2倍 |
| Phaeodactylum tricornutum | 类胡萝卜素合成途径 | psy | PSY | 催化 | 利用fcpA启动子表达psy使岩藻黄质提高1.45倍；另一研究过表达psy使岩藻黄质提高1.8倍 |
| Scenedesmus sp. | 类胡萝卜素合成途径 | psy | PSY | 催化 | 表达合成psy使β-carotene含量提高约3倍 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素合成途径 | or | OR | 调控 | 过表达DnaJ样伴侣蛋白OR使lutein和β-carotene分别提高1.9和1.7倍 |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 类胡萝卜素合成途径 | crtB | CrtB | 催化 | 过表达crtB使zeaxanthin和myxoxanthophyll各提高1.5倍 |
| Chlorella sorokiniana | 类胡萝卜素合成途径 | pds | PDS | 催化 | 诱变育种（norflurazon和nicotine筛选）使lutein含量提高1.49-1.55倍 |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素合成途径 | pds | PDS | 催化 | 诱变育种（nicotine等筛选）使astaxanthin提高2.08倍；表达定点突变pds使astaxanthin提高1.33倍 |
| Chlorella zofingiensis | 类胡萝卜素合成途径 | pds | PDS | 催化 | 点突变PDS使astaxanthin提高1.44倍，且norflurazon抗性提高31倍；另一研究点突变使astaxanthin和总类胡萝卜素分别提高1.54和1.32倍 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素合成途径 | pds | PDS | 催化 | 表达单氨基酸替代PDS使norflurazon抗性提高27.7倍，lutein、β-carotene和violaxanthin含量显著提高 |
| Synechococcus sp. PCC7942 | 类胡萝卜素合成途径 | crtP | CrtP | 催化 | crtP启动子缺失突变体过表达crtP，类胡萝卜素含量提高且抗norflurazon |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 类胡萝卜素合成途径 | crtR | CrtR | 催化 | 过表达crtR使zeaxanthin含量提高2.5倍 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素合成途径 | zep | ZEP | 催化 | 敲除zep（诱变和CRISPR-Cas9）导致组成型积累zeaxanthin |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素合成途径 | zep | ZEP | 催化 | 诱变筛选获得zep功能缺陷突变体，组成型积累zeaxanthin，不积累neoxanthin、violaxanthin和anthraxanthin |
| Haematococcus pluvialis | 类胡萝卜素合成途径 | bkt | BKT | 催化 | 过表达bkt使astaxanthin提高2-3倍；诱变育种（diphenylamine筛选）使astaxanthin提高1.7倍 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素合成途径 | bkt | BKT | 催化 | 表达来自H. pluvialis的bkt，积累一种酮类胡萝卜素（但非astaxanthin或canthaxanthin） |
| Synechococcus sp. PCC7942 | 类胡萝卜素合成途径 | bkt | BKT | 催化 | 表达来自H. pluvialis的bkt，产生包括astaxanthin在内的多种类胡萝卜素 |
| Synechococcus sp. PCC7002 | 类胡萝卜素合成途径 | crtW/crtZ | CrtW/CrtZ | 催化 | 表达来自Brevundimonas sp.的crtW和crtZ，以消耗β-carotene和zeaxanthin为代价生产astaxanthin |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 类胡萝卜素合成途径 | crtO | CrtO | 催化 | 敲除crtO使myxoxanthophyll和总类胡萝卜素分别提高2.3和1.3倍 |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 类胡萝卜素合成途径 | crtB+crtP+crtO(敲除) | CrtB+CrtP+CrtO | 催化 | 组合改造使myxoxanthophyll、zeaxanthin和总类胡萝卜素分别提高2.6、1.6和1.5倍 |
关键发现
- 在Synechocystis sp. PCC6803中过表达dxs使总类胡萝卜素含量增加1.5倍
- 在Phaeodactylum tricornutum中过表达dxs使岩藻黄质含量增加2.4倍。在Chlamydomonas reinhardtii中过表达Dunaliella salina的psy使violaxanthin、lutein、β-carotene、neoxanthin分别提高2.0、2.6、1.25、1.8倍
- 过表达Chlorella zofingiensis的psy使lutein和violaxanthin提高2.0和2.2倍
- 过表达橙蛋白OR使lutein和β-carotene提高1.9和1.7倍。在Phaeodactylum tricornutum中过表达psy使岩藻黄质提高1.45-1.8倍
- 合成psy在Scenedesmus sp.中使β-carotene提高约3倍。过表达crtB使zeaxanthin和myxoxanthophyll各提高1.5倍。诱变育种使Chlorella sorokiniana的lutein提高1.49-1.55倍
- 使Haematococcus pluvialis的astaxanthin提高2.08倍
- 表达修饰的pds使H. pluvialis的astaxanthin提高1.33倍
- 使Chlorella zofingiensis的astaxanthin提高1.44-1.54倍
- 在C. reinhardtii中表达修饰PDS使norflurazon抗性提高27.7倍。过表达crtR使zeaxanthin提高2.5倍。过表达bkt使H. pluvialis的astaxanthin提高2-3倍
- 诱变使astaxanthin提高1.7倍。在Synechocystis中敲除crtO使myxoxanthophyll和总类胡萝卜素提高2.3和1.3倍，同时过表达crtB和crtP可进一步提高至2.6、1.6和1.5倍。
研究结论
微藻和蓝藻因生长快、类胡萝卜素含量高，有望成为经济可持续的生产宿主，但产量仍需进一步提高才能与陆生植物竞争。代谢工程是提升产量的有效工具，但需要更多物种特异的代谢数据、高通量筛选方法，同时应开发非GMO品系以满足户外养殖和食品应用需求。