Expression of synthetic phytoene synthase gene to enhance β-carotene production in Scenedesmus sp. CPC2†
- 作者
- Chun-Yen Chen, Ai-Ling Kao, Zheng-Chia Tsai, Yu-Mei Shen, Pei-Hsun Kao, I-Son Ng, Jo-Shu Chang
- 单位
- University Center of Bioscience and Biotechnology, National Cheng Kung University; Department of Biotechnology, Green Technology Research Institute, CPC Corporation; Department of Chemical Engineering, National Cheng Kung University; Research Center for Energy Technology and Strategy, National Cheng Kung University
- 杂志
- Biotechnology Journal（2017）
- DOI
- 10.1002/biot.201700204
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微藻β-胡萝卜素产量低，限制其商业化应用，需要利用基因工程手段提高微藻β-胡萝卜素的生产能力。
研究策略
基于Chlamydomonas reinhardtii、Dunaliella salina和Mariella zofingiensis三种微藻的psy基因保守序列设计并合成新的psy基因（891 bp，编码297个氨基酸），构建pHSN401表达载体，通过电穿孔转化Scenedesmus sp. CPC2，筛选高产β-胡萝卜素的转化子，并优化培养条件（碳源、MgSO4浓度等）以进一步提高产量。
研究路线图
核心内容
本研究针对微藻β-胡萝卜素产量低、限制商业化应用的问题，在Scenedesmus sp. CPC2中异源表达合成八氢番茄红素合成酶基因psy。作者基于Chlamydomonas reinhardtii、Dunaliella salina和Mariella zofingiensis三种微藻psy基因的保守序列，设计合成了891 bp、编码297个氨基酸的新psy基因，构建pHSN401表达载体并通过电穿孔转化目标藻株。筛选得到高产转化子CPC2-4后，进一步优化了碳源和MgSO4浓度等培养条件。结果显示，野生型β-胡萝卜素含量为10.8 mg/g-cell，而重组菌株在BG11培养基中含量超过30 mg/g，添加0.075 g MgSO4后最高达31.8 mg/g-cell（73.7 mg/L），约为野生型的3倍；在TAP培养基中为15.5 mg/g，较野生型提高50%。最大生物量达4.05 g/L，最高产率计算为95.5 mg/L/d。该研究首次在Scenedesmus sp. CPC2中异源表达合成psy基因，证明结合基因工程与MgSO4诱导策略可显著提升β-胡萝卜素积累，且自养条件优于混养，为该藻株的产业化应用提供了可行方案，产量优于多数已报道的基因工程微藻。
创新点
首次在Scenedesmus sp. CPC2中异源表达合成psy基因；合成psy基因基于三种微藻高同源区域设计；发现自养条件比混养更有利于β-胡萝卜素积累；MgSO4作为经济有效的诱导剂可显著提高β-胡萝卜素含量。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Scenedesmus sp. CPC2 | 类胡萝卜素生物合成途径 | psy | 八氢番茄红素合成酶 (PSY) | 催化 | 合成的psy基因（891 bp，编码297 aa）异源表达于宿主，驱动β-胡萝卜素合成。 |
| Scenedesmus sp. CPC2 | 类胡萝卜素生物合成途径 | CaMV35S启动子 | — | 调控 | 用于驱动psy基因表达的组成型启动子，位于载体pHSN401中。 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素生物合成途径 | psy | 八氢番茄红素合成酶 (PSY) | 催化 | 合成psy基因的序列来源之一，参考序列GenBank AAT38475。 |
| Dunaliella salina | 类胡萝卜素生物合成途径 | psy | 八氢番茄红素合成酶 (PSY) | 催化 | 合成psy基因的序列来源之一，参考序列GenBank ABY50091。 |
| Mariella zofingiensis | 类胡萝卜素生物合成途径 | psy | 八氢番茄红素合成酶 (PSY) | 催化 | 合成psy基因的序列来源之一，参考序列GenBank CBW37867。 |
关键发现
- 野生型Scenedesmus sp. CPC2的β-胡萝卜素含量为10.8 mg/g-cell
- 过表达合成psy基因的重组菌株CPC2-4在BG11培养基中β-胡萝卜素含量达30 mg/g以上，最佳条件下（添加0.075 g MgSO4）达到31.8 mg/g-cell（73.7 mg/L），约为野生型的3倍
- 在TAP培养基中含量为15.5 mg/g-cell，比野生型提高50%
- 最大生物量为4.05 g/L（0.15 g MgSO4时）
- 最高产率计算为95.5 mg/L/d（基于31.8 mg/g时的数据）
- 该产量优于多数文献报道的微藻β-胡萝卜素产量。
研究结论
通过在Scenedesmus sp. CPC2中异源表达合成psy基因，结合MgSO4添加和BG11培养基优化，成功将β-胡萝卜素含量提高到31.8 mg/g-cell，显著优于野生型及大多数报道的基因工程微藻，展示了该重组菌株在β-胡萝卜素商业化生产中的潜力。