Advances in biomanufacturing and recent biological applications of the fundamental bacterial carotenoids: a comprehensive review
- 作者
- Khaled B. Al-Monofy, Mahmoud H. Farghali, Lamiaa A. Al-Madboly, Amal M. Abo Kamer, Ahmed A. Abdelaziz
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2025）
- DOI
- 10.1186/s12934-025-02847-1
- 所属领域
- 代谢工程与合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
系统综述细菌来源的基础类胡萝卜素（番茄红素、β-胡萝卜素、β-隐黄质、玉米黄质、角黄素、虾青素）的生物制造进展与生物学应用，强调细菌作为细胞工厂的潜力。
研究策略
按照生物制造流程（实验室筛选→理化参数优化→基因工程改造→发酵）和生物学应用两大模块展开综述，比较细菌与植物、藻类、真菌等来源的优缺点，并汇总产量数据与优化策略。
核心内容
该综述系统梳理了六种基础细菌类胡萝卜素（番茄红素、β-胡萝卜素、β-隐黄质、玉米黄质、角黄素、虾青素）从菌株筛选、参数优化到基因工程改造和发酵放大的全链条生物制造进展，并汇总其食品、医药等领域的生物学应用。作者比较了细菌与植物、藻类、真菌等来源的优劣，指出细菌具有生长快（培养周期约4天，而藻类需30天）、易操作、可产独有结构等优势。文中汇总大量产量数据，如经优化后Kocuria sp. RAM1总类胡萝卜素达886 mg/L，M. luteus总类胡萝卜素达2190 mg/L；基因工程方面，在Deinococcus中过表达crtB和dxs使deinoxanthin产量达177.28 mg/L，比野生型提高200%，在大肠杆菌中共表达crtE/crtB/crtI使番茄红素达688 mg/L，辅因子工程引入Entner-Doudoroff途径使NADPH再生提高25倍、类胡萝卜素产量提高97%。综述表明细菌是高效的类胡萝卜素细胞工厂，多种策略可显著提升产量，但商业化仍面临成本、稳定性与监管等挑战。
创新点
全面更新了六种基础细菌类胡萝卜素的生物合成途径、筛选方法、优化参数、基因工程策略和发酵技术；突出细菌作为细胞工厂的独特优势（快速生长、易基因操作、稀有类胡萝卜素来源）；提供了大量最新的定量数据与比较表格。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP pathway | crtE | geranylgeranyl pyrophosphate synthase (CrtE) | 催化 | 催化IPP/DMAPP延伸生成GGPP，是类胡萝卜素生物合成的限速步骤之一。 |
| Escherichia coli | Carotenoid biosynthesis | crtB | phytoene synthase (CrtB) | 催化 | 催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素，是类胡萝卜素合成的关键限速酶。 |
| Escherichia coli | Carotenoid biosynthesis | crtI | phytoene desaturase (CrtI) | 催化 | 催化八氢番茄红素连续脱氢生成番茄红素。 |
| Escherichia coli | Carotenoid biosynthesis | crtY | lycopene cyclase (CrtY) | 催化 | 催化番茄红素环化生成α-胡萝卜素和β-胡萝卜素。 |
| Pantoea anthophila | Carotenoid biosynthesis | crtZ | β-carotene hydroxylase (CrtZ) | 催化 | 催化β-胡萝卜素羟基化生成β-隐黄质和玉米黄质。 |
| Pantoea anthophila | Carotenoid biosynthesis | crtW | β-carotene ketolase (CrtW) | 催化 | 催化β-胡萝卜素酮基化生成角黄素和虾青素。 |
| Deinococcus radiodurans | MEP pathway | dxs | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase (DXS) | 催化 | MEP途径限速酶，过表达显著提高类胡萝卜素产量。 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | HMGS | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase | 催化 | MVA途径酶，用其启动子替换crtE启动子使类胡萝卜素产量提高1.43倍。 |
| Zymomonas mobilis | Entner-Doudoroff pathway | — | Entner-Doudoroff pathway enzymes | 能量供给 | 将ED途径引入E. coli，提高NADPH再生速率达25倍，类胡萝卜素产量提高97%。 |
| Rhodosporidium toruloides | — | pdr10 | Pdr10 ABC transporter | 转运 | 过表达此转运蛋白促进类胡萝卜素分泌，双相培养中总类胡萝卜素产量达1.9-2.9 μg/ml。 |
| Deinococcus radiodurans | Carotenoid biosynthesis | crtD | carotenoid 3',4'-desaturase | 催化 | 敲除该基因并过表达crtB和dxs，使八氢番茄红素积累至4.46 mg/L。 |
| Micrococcus luteus | Carotenoid biosynthesis | — | — | 催化 | 一株M. luteus经优化后β-胡萝卜素产量达1200 mg/L，总类胡萝卜素达2190 mg/L。 |
关键发现
- 天然色素市场预计2026-2033年复合年增长率为4.5%，而合成染料为4.2%。细菌培养周期通常约4天，而藻类（如C. minutissima）需30天。类胡萝卜素数据库已收录1204种，其中324种来自细菌，251种为细菌独有。优化后的产量示例：Kocuria sp. RAM1总类胡萝卜素886 mg/L
- M. luteus总类胡萝卜素2190 mg/L
- P. anthophila FL1_ISS β-隐黄质31.87 mg/L
- P. zeaxanthinificians ATCC21588玉米黄质11.63 mg/L
- M. luteus β-胡萝卜素1200 mg/L。基因工程方面：在Deinococcus中过表达crtB和dxs使deinoxanthin产量达177.29 mg/L，比野生型提高200%
- 在E. coli中共表达crtE/crtB/crtI使番茄红素达688 mg/L
- 过表达dxs使类胡萝卜素提高3.5倍
- 蛋白工程突变isopentenyl phosphate kinase使β-胡萝卜素产量提高97%
- 辅因子工程引入Entner-Doudoroff途径使NADPH再生提高25倍，类胡萝卜素产量提高97%
- 转运蛋白pdr10使Rhodosporidium toruloides总类胡萝卜素产量增加至1.9-2.9 μg/ml。添加0.05% Fe3+使Rhodopseudomonas faecalis PA2总类胡萝卜素达413 mg/L（未优化190 mg/L）
- 添加TCA中间物使F. multivorum玉米黄质提高6倍
- 添加2% NaCl使类胡萝卜素产量加倍。
研究结论
细菌是强有力的细胞工厂，通过筛选、优化、基因工程和发酵可实现细菌类胡萝卜素的高效生产，并具有从食品添加剂到抗癌剂等多种生物应用，未来有望推动其商业化生产，但需解决生产成本、稳定性和监管许可等挑战。