Characterization of carotenoids in Rhodothermus marinus
- 作者
- Emanuel Y. C. Ron, Merichel Plaza, Thordis Kristjansdottir, Roya R. R. Sardari, Snaedis H. Bjornsdottir, Steinn Gudmundsson, Gudmundur Oli. Hreggvidsson, Charlotta Turner, Ed W. J. van Niel, Eva Nordberg- Karlsson
- 单位
- Division of Biotechnology, Department of Chemistry, Lund University, Lund, Sweden; Division of Centre for Analysis and Synthesis, Department of Chemistry, Lund University, Lund, Sweden; Matis ohr, Reykjavik, Iceland; University of Iceland, Center for Systems Biology, Reykjavik, Iceland; Division of Applied Microbiology, Department of Chemistry, Lund University, Lund, Sweden
- 杂志
- MicrobiologyOpen（2017）
- DOI
- 10.1002/mbo3.536
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
表征Rhodothermus marinus不同菌株中的类胡萝卜素组成，确定其抗氧化能力，并提出其类胡萝卜素生物合成途径，为后续代谢工程改造奠定基础。
研究策略
采用加压液体萃取(PLE)提取类胡萝卜素，利用UHPSFC-DAD-QTOF/MS进行分离鉴定；通过MS/MS碎片分析确定结构；结合基因组同源搜索和生物信息学分析推演生物合成途径；采用TEAC和DPPH两种方法测定提取物的抗氧化活性。
核心内容
本研究系统表征了海洋嗜热菌Rhodothermus marinus三株菌（DSM 4252T、DSM 4253和PRI 493）的类胡萝卜素组成与抗氧化活性。采用加压液体萃取结合超高效合相色谱-二极管阵列-四极杆飞行时间质谱（UHPSFC-DAD-QTOF/MS）进行分离鉴定，通过MS/MS碎片分析确定结构，并借助基因组同源搜索推演生物合成途径。结果显示，三株菌均产生salinixanthin及其羟化形式，并首次发现一种缺少4-酮基的新型类胡萝卜素糖苷酯（m/z 910.6675和926.6627），同时鉴定出C11–C17脂肪酸链模式。基因簇分析揭示其包含11个基因、两个操纵子，涵盖crtB、crtI、crtY、crtO、cruC、cruD等关键酶。抗氧化实验表明，类胡萝卜素合成缺陷株SB-71（ΔcrtB）的DPPH清除能力比产类胡萝卜素菌株低3–3.7倍（EC50 821.0对223.1–276.2 μg/ml），TEAC值低1.7–1.9倍（23.7对40.8–45.2 μmol trolox/g extract），证实类胡萝卜素是其主要抗氧化物质。该研究首次阐明R. marinus的类胡萝卜素生物合成基因簇与途径，为后续利用该菌株进行类胡萝卜素代谢工程改造奠定了分子基础。
创新点
首次在R. marinus DSM 4252T和PRI 493中鉴定出salinixanthin（羟化和非羟化形式）；发现一种新的缺少4-酮基的类胡萝卜素糖苷酯；提出了R. marinus的类胡萝卜素生物合成基因簇和途径。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodothermus marinus (DSM 4252T, DSM 4253, PRI 493) | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶 (phytoene synthase) | 催化 | 催化GGPP生成八氢番茄红素 |
| Rhodothermus marinus (DSM 4252T, DSM 4253, PRI 493) | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱饱和酶 (phytoene desaturase) | 催化 | 催化八氢番茄红素生成番茄红素 |
| Rhodothermus marinus (DSM 4252T, DSM 4253, PRI 493) | 类胡萝卜素生物合成 | crtY | 番茄红素环化酶 (lycopene cyclase) | 催化 | 催化番茄红素生成γ-胡萝卜素 |
| Rhodothermus marinus (DSM 4252T, DSM 4253, PRI 493) | 类胡萝卜素生物合成 | crtO | 酮化酶 (ketolase) | 催化 | 催化γ-胡萝卜素生成4-酮-γ-胡萝卜素 |
| Rhodothermus marinus (DSM 4252T, DSM 4253, PRI 493) | 类胡萝卜素生物合成 | cruC | 糖基转移酶 (glycosyltransferase) | 催化 | 催化葡萄糖连接到类胡萝卜素；基因位于基因簇外，与Salinibacter ruber的CruC同源 |
| Rhodothermus marinus (DSM 4252T, DSM 4253, PRI 493) | 类胡萝卜素生物合成 | cruD | 乙酰转移酶 (acetyltransferase) | 催化 | 催化脂肪酸连接到葡萄糖上 |
关键发现
- 在R. marinus DSM 4252T、DSM 4253和PRI 493中均检测到salinixanthin及其羟化形式，并新增一种不含4-酮基的类胡萝卜素糖苷酯（peak 1和2，m/z
- 6675/926.6627）
- 鉴定出C11-C17脂肪酸链模式
- 基因簇含11个基因（两个操纵子），包括crtB, crtI, crtY, crtO, cruD, cruC等
- 敲除菌株SB-71（ΔtrpBΔpurAcrtB::trpB）无类胡萝卜素，DPPH抗氧化能力比产类胡萝卜素菌株低3-3.7倍（EC50
- 0 vs
- 1-276.2 μg/ml），TEAC低1.7-1.9倍（23.7 vs
- 8-45.2 μmol trolox/g extract）
- 提出了类胡萝卜素生物合成途径。
研究结论
R. marinus产生salinixanthin和一种新的类胡萝卜素糖苷酯（无4-酮基），其抗氧化能力与蓝藻相当；类胡萝卜素生物合成途径的基因簇被鉴定，敲除相关基因显著降低抗氧化能力，验证了该途径在抗氧化中的作用。