Challenges and tackles in metabolic engineering for microbial production of carotenoids
- 作者
- Chonglong Wang, Shuli Zhao, Xixi Shao, Ji-Bin Park, Seong-Hee Jeong, Hyo-Jin Park, Won-Ju Kwak, Gongyuan Wei, Seon-Won Kim
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2019）
- DOI
- 10.1186/s12934-019-1105-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
类胡萝卜素微生物生产中产量受限、产物毒性、膜储存空间不足以及稀有类胡萝卜素和衍生物合成途径缺乏等问题。
研究策略
系统综述类胡萝卜素生物合成途径，结合代谢工程和合成生物学工具，通过前体供给增强、异源途径优化、底盘改造、膜工程和基因组编辑等策略提高产量，并拓展产物谱。
核心内容
该综述系统梳理了微生物生产类胡萝卜素面临的核心瓶颈，包括前体供给不足、产物毒性、膜储存空间有限以及稀有类胡萝卜素合成途径缺乏等。作者在总结天然合成途径基础上，重点介绍了代谢工程与合成生物学工具的应用，涵盖前体通路强化（如MEP、MVA）、异源途径组装、底盘改造、基因组编辑（CRISPR-Cas9、MAGE）以及膜工程等策略。关键案例显示：在大肠杆菌中组合多基因组装和工程化中心碳代谢后，β-胡萝卜素产量可达2.1 g/L；解脂耶氏酵母通过启动子优化和多拷贝整合实现β-胡萝卜素6.5 g/L；三孢布拉霉在氧传递速率20.5 mM/L/h条件下产β-胡萝卜素704.1 mg/L。此外，通过膜共定位（GlpF融合）使虾青素产量提高2.2倍，引入切割酶可产视黄醛136 mg/L及紫罗酮约500 mg/L。这些结果表明，将通路优化与膜工程、系统生物学相结合，不仅能显著提升产量，还能将产物谱从常见C40类胡萝卜素拓展至类视黄醇和稀有C50衍生物，为工业化生产提供了可行方向。
创新点
强调膜工程对类胡萝卜素生产的重要性（如酶膜定位、膜扩张），总结新型合成生物学工具（CRISPR-Cas9、MAGE、CIChe）的应用，提出从常见C40类胡萝卜素向类视黄醇、稀有C50等延伸的方向。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Blakeslea trispora | 类胡萝卜素生物合成 | — | — | 催化 | 天然生产者，通过控制氧传递速率(OTR 20.5 mM/L/h)实现β-胡萝卜素704.1 mg/L |
| Escherichia coli | MEP通路 | ispG, ispH | IspG, IspH | 催化 | 平衡表达消除中间积累，提高番茄红素和β-胡萝卜素产量 |
| Escherichia coli | MVA通路 | — | — | 催化 | 异源表达细菌MVA通路使β-胡萝卜素产量达465 mg/L |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成 | — | — | 催化 | 组合多基因组装实现番茄红素448 mg/g DCW |
| Escherichia coli | 中心碳代谢（EMP/PPP） | — | — | 能量供给 | 工程化碳源同化途径提高ATP和NADPH供给，β-胡萝卜素达2.1 g/L |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素降解/修饰 | ybbO | YbbO | 催化 | 内源氧化还原酶，将视黄醛还原为视黄醇，调节类视黄醇组成 |
| Escherichia coli | β-胡萝卜素切割 | BCMO | β-胡萝卜素15,15'-单加氧酶 | 催化 | 切割β-胡萝卜素生成视黄醛，产量136 mg/L |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素切割 | CCD | 类胡萝卜素切割双加氧酶 | 催化 | 切割产生α/β-紫罗酮，产量约500 mg/L（生物反应器） |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路/NADPH供给 | STB5 | Stb5 | 调控 | 过表达STB5转录因子提高NADPH，番茄红素41.8 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素合成 | — | — | 催化 | 通过增加乙酰-CoA池和通路优化，番茄红素55.6 mg/g DCW（22倍提高） |
| Saccharomyces cerevisiae | 麦角固醇合成 | CYP61 | Cyp61（甾醇去饱和酶） | 催化 | 删除CYP61解除麦角固醇对MVA通路的反馈抑制，虾青素产量提高1.4倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素合成 | — | — | 催化 | ARTP诱变结合异源途径优化，虾青素达218 mg/L |
| Corynebacterium glutamicum | C50类胡萝卜素合成 | crtR | CrtR | 调控 | 敲除crtR解除对crt操纵子的抑制，提高番茄红素、β-胡萝卜素和十碳异戊二烯黄素产量 |
| Corynebacterium glutamicum | 类胡萝卜素合成 | sigA | SigA（σ因子） | 调控 | 过表达主σ因子sigA提高类胡萝卜素产量 |
| Corynebacterium glutamicum | 类胡萝卜素合成 | — | — | 催化 | 整合crt通路并敲除crtR，以木糖为碳源共产β-胡萝卜素7 mg/L和L-赖氨酸1.5 g/L |
| Rhodobacter sphaeroides | MEP通路/类胡萝卜素合成 | crtI | CrtI | 催化 | 替换内源CrtC为异源CrtI，结合增强MEP和阻断PPP，番茄红素10.32 mg/g DCW |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | MVA通路 | GGPPS | GGPP合酶 | 催化 | 过表达限速酶GGPPS使虾青素含量提高1.7倍 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 类胡萝卜素修饰 | crtZ（β-胡萝卜素羟化酶） | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 引入β-胡萝卜素羟化酶生产玉米黄质0.5 mg/g DCW |
| Yarrowia lipolytica | MVA通路 | — | — | 催化 | 过表达MVA通路并解除营养缺陷型，番茄红素21.1 mg/g DCW |
| Yarrowia lipolytica | 类胡萝卜素合成 | — | — | 催化 | 优化启动子-基因对，β-胡萝卜素90 mg/g DCW，6.5 g/L（补料分批） |
| Yarrowia lipolytica | 类胡萝卜素合成 | — | — | 催化 | 迭代整合多拷贝途径基因，β-胡萝卜素4 g/L |
| Escherichia coli | 膜定位工程 | glpF | GlpF（甘油通道蛋白） | 区室化 | 与β-胡萝卜素酮化酶和羟化酶融合，促进膜共定位，虾青素产量提高2.2倍 |
关键发现
- Blakeslea trispora经氧传递速率控制(OTR 20.5 mM/L/h)产生β-胡萝卜素704.1 mg/L，添加番茄红素环化酶抑制剂产生番茄红素256 mg/L
- E. coli中异源表达MVA通路使β-胡萝卜素达465 mg/L，组合多基因组装得到番茄红素448 mg/g DCW，工程化中央代谢模块（EMP/PPP）后β-胡萝卜素达2.1 g/L
- S. cerevisiae结合宿主工程和通路优化使番茄红素达55.6 mg/g DCW（22倍提高），过表达STB5后为41.8 mg/L，ARTP诱变后虾青素达218 mg/L
- C. glutamicum敲除crtR提高多种类胡萝卜素产量，整合途径后β-胡萝卜素7 mg/L并共产赖氨酸1.5 g/L
- R. sphaeroides替换crtI并增强MEP、阻断PPP后番茄红素10.32 mg/g DCW
- X. dendrorhous过表达GGPPS使虾青素提高1.7倍，敲除CYP61提高1.4倍，引入β-胡萝卜素羟化酶生产玉米黄质0.5 mg/g DCW
- Y. lipolytica优化启动子-基因对后β-胡萝卜素达90 mg/g DCW和6.5 g/L，迭代整合多拷贝基因达4 g/L，过表达MVA通路及解除营养缺陷后番茄红素21.1 mg/g DCW
- E. coli中引入BCMO产生视黄醛136 mg/L，使用CCD产生紫罗酮约500 mg/L（生物反应器）
- 通过GlpF融合实现膜共定位使虾青素产量提高2.2倍。
研究结论
微生物生产类胡萝卜素是满足日益增长需求的可行途径。通过代谢工程和合成生物学工具，结合膜工程和系统生物学理解，可进一步提高产量并扩展类胡萝卜素产品谱系，为工业化生产奠定基础。