Biosynthetic Pathway of Carotenoids in Rhodotorula and Strategies for Enhanced Their Production
- 作者
- Wei Tang, Yue Wang, Jun Zhang, Yali Cai, Zengguo He
- 单位
- School of Medicine and Pharmacy, Ocean University of China; Marine Microbiological Engineering & Research Center, Marine Biomedical Research Institute of Qingdao
- 杂志
- Journal of Microbiology and Biotechnology（2019）
- DOI
- 10.4014/jmb.1801.01022
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
红冬孢酵母属（Rhodotorula）类胡萝卜素生物合成途径尚不清晰，且天然类胡萝卜素产量低，难以满足市场需求，亟需系统梳理其合成途径并开发有效的产量提升策略。
研究策略
综述类研究：系统总结Rhodotorula类胡萝卜素的生物合成途径，并从菌株筛选、诱变育种、培养条件优化（光照、温度、金属离子、培养基成分等）以及遗传和代谢工程改造等角度归纳提高产量的策略。
核心内容
该综述系统梳理了红冬孢酵母属（Rhodotorula）中类胡萝卜素的生物合成途径，并从菌株筛选、诱变育种、培养条件优化及代谢工程改造等角度全面归纳了提升产量的策略。作者整合了甲羟戊酸途径及crt系列基因（如crtYB、crtI、crtB等）在类胡萝卜素合成中的功能，比较了不同诱导手段的效果。关键结果显示，UV诱变可使R. glutinis NCIM 3353突变体产β-胡萝卜素达2048 μg/g，较野生型提高120倍；组合诱变使产量提升3倍；白光照射使torularhodin增加180%，低温5°C有利于β-胡萝卜素积累（占总类胡萝卜素64%）。代谢工程方面，E. coli异源合成β-胡萝卜素最高达3.2 g/L，R. glutinis过表达crtl/crtE/crtYB/tHMG1后产量达27.13 mg/g，较野生型提高7倍。这些结果表明，结合传统诱变与基因工程手段可显著提升Rhodotorula的类胡萝卜素产量，随着基因组工具发展，该菌有望成为大规模生产天然类胡萝卜素的工业底盘。
创新点
全面整合了Rhodotorula中类胡萝卜素生物合成途径的最新进展，比较了多种产量提升策略的效果，并强调了代谢工程在非类胡萝卜素产生菌及Rhodotorula自身中的成功应用，为后续菌株改造提供参考。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodotorula | 甲羟戊酸途径 | HMG1 | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 在R. mucilaginosa C2.5t1指数期末期被诱导，与类胡萝卜素合成相关 |
| Rhodotorula | 甲羟戊酸途径 | ERG12 | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 在R. mucilaginosa C2.5t1中与HMG1同时被诱导 |
| Rhodotorula | 类胡萝卜素生物合成 | crtYB | 双功能番茄红素环化酶/八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素合成及番茄红素环化 |
| Rhodotorula | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素连续脱氢形成番茄红素 |
| Rhodotorula | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 在R. mucilaginosa RIT389中与crtY和crtI相邻 |
| Rhodotorula | 类胡萝卜素生物合成 | crtY | 番茄红素环化酶 | 催化 | 参与γ-胡萝卜素或β-胡萝卜素的环化 |
| Escherichia coli | 异源类胡萝卜素生物合成 | crtE, crtB, crtI, crtY | GGPP合成酶、八氢番茄红素合成酶、八氢番茄红素脱氢酶、番茄红素环化酶 | 催化 | 来自Erwinia uredovora，在E. coli中实现β-胡萝卜素合成 |
| Saccharomyces cerevisiae | 异源类胡萝卜素生物合成 | crtYB, crtI | 双功能番茄红素环化酶/八氢番茄红素合成酶和八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous，整合至基因组后成功表达β-胡萝卜素 |
| Candida utilis | 异源类胡萝卜素生物合成 | crtE, crtB, crtI | GGPP合成酶、八氢番茄红素合成酶、八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 导入后获得产番茄红素1.1 mg/g干重的菌株 |
| Pichia pastoris | 异源类胡萝卜素生物合成 | crtE, crtB, crtI（推测） | 相关合成酶 | 催化 | 通过质粒整合实现番茄红素或β-胡萝卜素生产 |
| Rhodotorula glutinis | 类胡萝卜素生物合成 | crtl, crtE, crtYB, tHMG1 | 相关酶（包括双功能酶和截短HMG-CoA还原酶） | 催化 | 来自X. dendrorhous和Kluyveromyces marxianus，转化后β-胡萝卜素产量达27.13±0.66 mg/g，较野生型提高7倍 |
关键发现
- 全球类胡萝卜素市场2017年为15亿美元，预计2022年达20亿美元，复合年增长率5.7%。Rhodotorula中β-胡萝卜素约占总类胡萝卜素的70%。野生菌R. mucilaginosa CRUB 0138经4天培养产生234±7 μg/g类胡萝卜素
- R. glutinis在乳清乳糖培养基中产量达33.2 mg/g。UV诱变的R. glutinis NCIM 3353突变体32产β-胡萝卜素2048 μg/g，较野生型提高120倍。高静水压诱变使R. glutinis RG6p的β-胡萝卜素产量提高57.89%。组合诱变（UV/EMS/NTG）使类胡萝卜素产量提高3倍。白光照射使torularhodin产量增加180%，β-胡萝卜素增加14%。低温5°C有利于β-胡萝卜素积累（占总类胡萝卜素64%）。红色LED最利于β-胡萝卜素生产。苯酚500 ppm使β-胡萝卜素增加35%。通过代谢工程，E. coli中β-胡萝卜素最高产量达3.2 g/L
- 另一工程菌株产量2.1 g/L，较野生型提高74倍。Candida utilis产番茄红素1.1 mg/g干重。R. glutinis转化crtl/crtE/crtYB/tHMG1后，β-胡萝卜素产量达27.13±0.66 mg/g，较野生型提高7倍。
研究结论
Rhodotorula是生产天然类胡萝卜素的潜力菌株，通过菌株选育、诱变、培养条件优化以及代谢工程等手段可显著提高产量。随着基因组和遗传工具的发展，利用代谢工程实现大规模生产将成为可能。