Microbial synthesis and extraction of value-added metabolites by Rhodotorula toruloides from waste stream: a sustainable approach

解决的核心问题

如何利用Rhodotorula toruloides从废弃物流中可持续地合成和提取高附加值代谢物（脂质和类胡萝卜素），并系统阐明其代谢途径、影响因素、基因工程策略及提取方法。

研究策略

综述R. toruloides中类胡萝卜素和脂质的生物合成途径及其代谢联系，分析可持续碳源（如木质纤维素水解物、农业废弃物）的利用，总结光照、温度、盐浓度、pH等环境因子对产量的影响，概述基因工程（过表达、敲除、异源表达）增强产量的策略，并比较传统与现代提取技术。

研究路线图

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核心内容

该综述系统探讨了红冬孢酵母（Rhodotorula toruloides）利用废弃物流可持续合成高附加值代谢物（脂质和类胡萝卜素）的潜力。研究首先阐明了该酵母通过甲羟戊酸途径与脂肪酸合成途径同步合成两类产物的代谢网络，随后评估了木质纤维素水解物、农业废料等可持续碳源的适用性，并分析了光照、温度、盐浓度、pH等环境因子对产量的调控作用。基因工程策略方面，过表达DGA1和ACC1使总脂质产量达16 g/L，过表达crtYB和crtI使β-胡萝卜素产量提高3.5倍；以茶废液水解物为碳源可获得11.96 mg/g DCW的β-胡萝卜素，而以农业市场废料为碳源时β-胡萝卜素产量达62 mg/L。此外，该菌在环境修复和废水处理中兼具生物修复功能。现代提取技术如酶辅助、超声辅助和超临界流体萃取较传统方法更环保高效。该综述强调了红冬孢酵母作为产油微生物在可持续生物经济中的广阔前景，为整合废物增值与高值代谢物生产提供了系统策略。

创新点

本综述独特地探讨了R. toruloides在环境生物修复和废水处理中的作用，强调可持续废物增值；整合了脂质与类胡萝卜素代谢途径的关联，并系统评估了多种废弃物流作为碳源的潜力。

研究对象（24）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Rhodotorula toruloides	甲羟戊酸（MVA）通路	ACAT2	乙酰-CoA乙酰转移酶2	催化	催化乙酰-CoA缩合生成乙酰乙酰-CoA
Rhodotorula toruloides	甲羟戊酸（MVA）通路	HMGS	3-羟基-3-甲基戊二酰-CoA合酶	催化	催化乙酰乙酰-CoA转化为HMG-CoA
Rhodotorula toruloides	甲羟戊酸（MVA）通路	HMGR	3-羟基-3-甲基戊二酰-CoA还原酶	催化	还原HMG-CoA生成甲羟戊酸（MVA）
Rhodotorula toruloides	甲羟戊酸（MVA）通路	MK	甲羟戊酸激酶	催化	磷酸化甲羟戊酸生成甲羟戊酸5-磷酸
Rhodotorula toruloides	甲羟戊酸（MVA）通路	PMK	磷酸甲羟戊酸激酶	催化	磷酸化甲羟戊酸5-磷酸生成甲羟戊酸二磷酸
Rhodotorula toruloides	甲羟戊酸（MVA）通路	MDD	甲羟戊酸二磷酸脱羧酶	催化	脱羧生成异戊烯基焦磷酸（IPP）
Rhodotorula toruloides	甲羟戊酸（MVA）通路	IDI	异戊烯基焦磷酸异构酶	催化	将IPP异构化为二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）
Rhodotorula toruloides	甲羟戊酸（MVA）通路	GGPPS	牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶	催化	催化FPP生成GGPP，类胡萝卜素前体
Rhodotorula toruloides	类胡萝卜素生物合成	PSY	八氢番茄红素合酶	催化	两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素
Rhodotorula toruloides	类胡萝卜素生物合成	CAR1	八氢番茄红素脱饱和酶	催化	催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素；同时作为转录因子正调控脂质和类胡萝卜素合成
Rhodotorula toruloides	类胡萝卜素生物合成	CAR2	番茄红素环化酶	催化	催化番茄红素环化生成γ-胡萝卜素和β-胡萝卜素
Rhodotorula toruloides	脂肪酸生物合成	ACC1	乙酰-CoA羧化酶	催化	催化乙酰-CoA转化为丙二酰-CoA，脂肪酸合成的限速步骤
Rhodotorula toruloides	脂肪酸生物合成	FAS	脂肪酸合酶复合体	催化	催化丙二酰-CoA经延长、还原、脱水循环生成长链脂肪酸
Rhodotorula toruloides	脂肪酸脱饱和	SCD	硬脂酰-CoA脱饱和酶	催化	在硬脂酸C9位引入双键生成油酸
Rhodotorula toruloides	脂肪酸脱饱和	FAD2	Δ12脂肪酸脱饱和酶	催化	在油酸C12位引入双键生成亚油酸
Rhodotorula toruloides	脂肪酸延长	ELO1	脂肪酸延长酶1	催化	延长脂肪酸碳链，过表达可提高油酸含量
Rhodotorula toruloides	脂肪酸延长	KCS	3-酮脂酰-CoA合酶	催化	催化生成极长链脂肪酸（VLCFAs），如芥酸和神经酸
Rhodotorula toruloides	Kennedy通路（TAG合成）	GPAT	甘油-3-磷酸酰基转移酶	催化	酰化甘油-3-磷酸生成溶血磷脂酸
Rhodotorula toruloides	Kennedy通路（TAG合成）	LPAAT	溶血磷脂酸酰基转移酶	催化	酰化溶血磷脂酸生成磷脂酸
Rhodotorula toruloides	Kennedy通路（TAG合成）	DGAT	二酰甘油酰基转移酶	催化	将酰基转移至二酰甘油生成三酰甘油（TAG）
Rhodotorula toruloides	丙酮酸代谢/NADPH供给	ME	苹果酸酶	能量供给	催化苹果酸氧化脱羧生成丙酮酸和NADPH，为脂肪酸合成提供还原力
Rhodotorula toruloides	TCA循环	ICDH	异柠檬酸脱氢酶	催化	催化异柠檬酸转化为α-酮戊二酸；AMP浓度降低时其活性受抑制，导致柠檬酸积累并进入脂质合成
Rhodotorula toruloides	脂质积累调控	AMP deaminase	AMP脱氨酶	催化	氮限制时转化AMP为NH4+和IMP，降低AMP水平以激活脂质合成
Rhodotorula toruloides	脂质和类胡萝卜素生物合成调控	CTR9	Cln Three Requiring 9	调控	转录因子，正调控脂质和类胡萝卜素合成相关基因的表达

关键发现

['R. toruloides可积累高达70%干重的脂质。', '蓝光照射使类胡萝卜素含量提高70%；光照4000 lx使脂质含量提高40%。', '1.0 M Na+和0.1 M K+使β-胡萝卜素产量提高60%。', '4.0% w/v NaCl使脂质合成提高71.3%。', 'pH
5并添加1-脯氨酸时，细胞干重达14.3 g/L，脂质含量58%，脂质产量0.18 g/g。', '过表达DGA1和ACC1后，总脂质产量达16 g/L（摇瓶合成培养基）。', '过表达SCD使脂质产量提高1.42倍（补料分批）。', '过表达ELO1并敲除FAD2使油酸含量提高23%。', '过表达FAD2使亚油酸产量提高5倍，达1.3 g/L。', '导入KCS基因后，产生神经酸7.9 g/L和芥酸5.8 g/L。', '过表达ME和SCD使脂质产量达89.4 g/L。', '过表达crtYB和crtI使β-胡萝卜素产量提高3.5倍。', '以茶废液水解物为碳源，获得β-胡萝卜素11.96 mg/g DCW、torulene 334 μg/g DCW、torularhodin
6 μg/g DCW。', '以农业市场废料为碳源，β-胡萝卜素产量达62 mg/L。', '以小麦秸秆水解物为碳源，β-胡萝卜素产量分别为24.58±1.88 mg/L和14.09 mg/L。']

研究结论

Rhodotorula toruloides是一种极具潜力的产油酵母，通过MVA途径和脂肪酸合成途径可同时合成类胡萝卜素和脂质。利用废弃碳源（如木质纤维素水解物、农业废料）并结合基因工程（过表达关键酶、调控转录因子、异源表达）可显著提高产量。现代提取技术（酶辅助、超声辅助、超临界流体萃取）更环保高效。该菌在环境修复和可持续生物经济中具有广阔应用前景。