Carotenoids of Biotechnological Importance
- 作者
- Gerhard Sandmann
- DOI
- 10.1007/10_2014_277
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
系统阐述类胡萝卜素的结构、功能、生物合成、市场及生产系统，并评估代谢工程在提高类胡萝卜素产量中的作用。
研究策略
以综述方式，从类胡萝卜素基本性质出发，综述生物合成途径、市场现状、植物和微生物生产系统，并重点介绍代谢工程策略及典型案例。
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了类胡萝卜素的结构、功能、生物合成途径、市场格局与生产系统，重点评估代谢工程在提升产量方面的作用。全球类胡萝卜素市场2010年约10亿美元，其中β-胡萝卜素占25%市场份额，虾青素价格最高，合成约2000美元/公斤，天然约7000美元/公斤。在植物中，番茄过表达八氢番茄红素合酶使番茄红素达5 mg/g干重；共表达β-胡萝卜素羟化酶和酮化酶使虾青素达16 mg/g干重，占总类胡萝卜素80%以上；马铃薯反义抑制玉米黄素环氧酶后，玉米黄素含量提高130倍至40 μg/g干重。微生物方面，大肠杆菌工程菌可产番茄红素30 mg/g干重、β-胡萝卜素6.2 mg/g干重、虾青素1.4 mg/g干重；解脂耶氏酵母在补料分批发酵中番茄红素达16 mg/g干重。结果表明，尽管化学合成仍主导市场，但代谢工程已在多种底盘实现高产量积累，结合发酵优化有望推动生物法实现成本竞争性替代。
创新点
整合了类胡萝卜素的生产现状与工程改造的最新进展，列出了植物和微生物中通过代谢工程获得的最高产量数据，提出了利用工程菌株进行成本竞争性生产的前景。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 八氢番茄红素合酶（PSY） | 催化 | 果实特异性过表达，番茄红素含量达5 mg/g dw |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 番茄红素β-环化酶（LCY-B） | 催化 | 质体转化，β-胡萝卜素含量达1 mg/g dw |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | β-胡萝卜素羟化酶、β-胡萝卜素酮化酶（CrtZ/CrtW） | 催化 | 共表达，虾青素含量达16 mg/g dw，占总类胡萝卜素80%以上 |
| 马铃薯 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 玉米黄素环氧酶（ZEP） | 催化 | 反义抑制或共抑制，玉米黄素含量达40 μg/g dw（提高130倍） |
| 水稻 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶（PSY/PDS） | 催化 | 胚乳中表达，类胡萝卜素最高37 mg/g |
| 玉米 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | PSY、β-胡萝卜素羟化酶、β-胡萝卜素酮化酶、失活LCYE | 催化 | 组合转化，虾青素含量达20 μg/g dw |
| 胡萝卜 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | β-胡萝卜素酮化酶（CrtW） | 催化 | 内源羟化酶上调，虾青素含量达90 μg/g fw |
| 大肠杆菌 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 异源表达全通路（GGPP合酶、PSY、PDS、环化酶等） | 催化 | 染色体整合，β-胡萝卜素产量6.2 mg/g dw |
| 大肠杆菌 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 异源表达全通路（含羟化酶、酮化酶） | 催化 | 虾青素产量1.4 mg/g dw |
| 大肠杆菌 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 异源表达全通路至番茄红素 | 催化 | 番茄红素产量30 mg/g dw |
| 聚球藻 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 八氢番茄红素合酶或β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 过表达，玉米黄素含量达1.9 mg/g dw |
| Candida utilis | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 异源类胡萝卜素基因、HMG-CoA还原酶过表达、角鲨烯合酶部分失活 | 催化 | 番茄红素产量7.8 mg/g dw |
| 酿酒酵母 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 异源类胡萝卜素基因、HMG-CoA还原酶、GGPP合酶过表达 | 催化 | β-胡萝卜素产量7.4 mg/g dw |
| 毕赤酵母 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 异源类胡萝卜素基因 | 催化 | 番茄红素产量4.6 mg/g dw |
| 解脂耶氏酵母 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 异源类胡萝卜素基因、HMG-CoA还原酶、GGPP合酶过表达 | 催化 | 番茄红素产量1.5 mg/g dw（实验室），补料分批达16 mg/g dw |
| 法夫酵母 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 突变结合关键基因工程 | 催化 | 虾青素产量9 mg/g dw |
关键发现
- ['全球类胡萝卜素市场2010年约10亿美元，β-胡萝卜素占25%市场份额，虾青素和叶黄素各占23%，虾青素价格最高（合成约2000美元/公斤，天然约7000美元/公斤）。', '植物工程最高产量：番茄过表达八氢番茄红素合酶使番茄红素达5 mg/g dw
- 质体转化番茄红素β-环化酶使β-胡萝卜素达1 mg/g dw
- 共表达β-胡萝卜素羟化酶和酮化酶使虾青素达16 mg/g dw（占总类胡萝卜素80%以上）。', '马铃薯反义抑制玉米黄素环氧酶后，玉米黄素含量达40 μg/g dw（提高130倍）
- 胡萝卜表达β-胡萝卜素酮化酶使虾青素达90 μg/g fw。', '金色大米优化后类胡萝卜素最高37 mg/g，玉米组合转化产虾青素达20 μg/g dw。', '微生物工程最高产量：大肠杆菌β-胡萝卜素6.2 mg/g dw、虾青素1.4 mg/g dw、番茄红素30 mg/g dw
- 聚球藻玉米黄素1.9 mg/g dw
- Candida utilis番茄红素7.8 mg/g dw
- Pichia pastoris番茄红素4.6 mg/g dw
- Yarrowia lipolytica番茄红素1.5 mg/g dw（实验室）和16 mg/g dw（补料分批）
- 酿酒酵母β-胡萝卜素7.4 mg/g dw
- Phaffia rhodozyma虾青素9 mg/g dw。']
研究结论
虽然化学合成仍主导类胡萝卜素市场（尤其是虾青素和β-胡萝卜素），但通过代谢工程在多种微生物和植物中已实现高产量类胡萝卜素积累，结合发酵优化有望实现生物法替代化学合成。