Torulene and torularhodin: "new" fungal carotenoids for industry?
- 作者
- Anna M. Kot, Stanislaw Blazejak, Iwona Gientka, Marek Kieliszek, Joanna Brys
- 单位
- Department of Biotechnology, Microbiology and Food Evaluation, Faculty of Food Sciences, Warsaw University of Life Sciences, Nowoursynowska 159C, 02-776 Warsaw, Poland; Department of Chemistry, Faculty of Food Sciences, Warsaw University of Life Sciences, Nowoursynowska 159c, 02-776 Warsaw, Poland
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2018）
- DOI
- 10.1186/s12934-018-0893-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
托鲁烯和托鲁拉红素作为具有抗氧化、抗菌和抗癌潜力的微生物类胡萝卜素，目前未实现工业化生产，面临产量低、菌株效率不高以及人体安全性数据缺乏等障碍，需要全面评估其应用潜力并优化生产技术。
研究策略
系统梳理关于托鲁烯和托鲁拉红素的文献，涵盖其结构性质、天然来源菌株、生物合成途径与关键基因、分子/组学工具应用、培养条件及化学因子影响、提取分析方法和工业提取流程，并总结其毒理、抗癌、抗氧化和抗菌活性的研究结果。
核心内容
托鲁烯和托鲁拉红素是红酵母等真菌合成的类胡萝卜素，具有抗氧化、抗菌和抗癌潜力，但尚未实现工业化。这项工作系统梳理了二者的结构、天然来源菌株、生物合成途径和关键基因，汇总了分子改造与培养优化策略，并首次提出以酵母为宿主的完整工业化生产流程。关键结果显示，托鲁烯和托鲁拉红素的ORAC抗氧化值分别为2.77和3.9，后者略高于β-胡萝卜素的3.78，单线态氧淬灭能力也更强；在PC-3前列腺癌小鼠模型中，18 mg/kg剂量使肿瘤体积从约248 mm³分别降至70和61 mm³，同时上调促凋亡蛋白Bax及caspase-3/8/9并下调Bcl-2；托鲁拉红素对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度为22.18 μg/L。通过化学-物理诱变结合过表达HMG1基因并添加28 mg/L酮康唑，红酵母类胡萝卜素产量从8.67 mg/L逐步提升至19.14 mg/L，较亲株提高121%；离心分配提取可在数分钟内回收91%的托鲁拉红素。不同菌株产量差异显著，最高可达托鲁烯70 mg/L、托鲁拉红素350 mg/L。这些结果表明该类化合物在食品、饲料、化妆品和医疗涂层方面有应用前景，但目前产量偏低且生产菌株多非GRAS，需通过基因工程获得安全高产的菌株并优化培养流程，同时开展人体试验以确认安全性和有效性。
创新点
首次综合评价托鲁烯和托鲁拉红素的生物合成关键基因及分子改造策略；提出以酵母为宿主的完整工业化生产流程；汇总了两种化合物在抗癌、抗菌方面最新的定量活性数据。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodotorula mucilaginosa | 类胡萝卜素生物合成途径 | HMG1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 过表达使类胡萝卜素产量从8.67 mg/L提高至16.98 mg/L，添加酮康唑后达19.14 mg/L |
| Rhodotorula mucilaginosa | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 基因组中与crtI、crtY基因簇相邻 |
| Rhodotorula mucilaginosa | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素多步脱氢反应 |
| Rhodotorula mucilaginosa | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtY | 番茄红素环化酶 | 催化 | 位于crtB和crtI基因附近 |
| Rhodotorula glutinis | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtYB | 双功能番茄红素环化酶/八氢番茄红素合酶 | 催化 | 双功能酶，催化GGPP缩合及番茄红素环化 |
| Sporidiobolus pararoseus | 类胡萝卜素生物合成途径 | AL-2 | 番茄红素环化酶/八氢番茄红素合酶 | 催化 | 参与3,4-二氢番茄红素转化为托鲁烯 |
| Rhodosporidium toruloides | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 通过基因组测序鉴定 |
| Rhodosporidium toruloides | 类胡萝卜素生物合成途径 | CRTI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 通过基因组测序鉴定 |
关键发现
- 托鲁烯和托鲁拉红素的ORAC抗氧化值分别为2.77和3.9（β-胡萝卜素为3.78）；托鲁拉红素使DPBF分解速率降至0.002 mM/h，而β-胡萝卜素为0.013 mM/h，表明其单线态氧淬灭能力更强。
- 在PC-3前列腺癌小鼠模型中，18 mg/kg托鲁烯或托鲁拉红素使肿瘤体积分别从248.13±28.74 mm³降至70.34±6.77和60.53±6.78 mm³，并上调Bax及caspase-3/8/9、下调Bcl-2。
- 托鲁拉红素对大肠杆菌K12-MG1655和金黄色葡萄球菌ATCC 25923的MIC为22.18 μg/L，对尖孢镰刀菌、赭曲霉、产朊假丝酵母和粪肠球菌的MIC为44.375 μg/L。
- 通过化学-物理诱变和过表达HMG1基因，Rhodotorula mucilaginosa类胡萝卜素产量从8.67 mg/L依次提高至14.47、16.98 mg/L，添加28 mg/L酮康唑后达19.14 mg/L，较亲株提高121%。
- 离心分配提取（CPE）可在数分钟内回收91%的托鲁拉红素，相当于294 μg/L培养液。
- 不同菌株的产量差异显著，例如R. glutinis野生株在白光下产托鲁烯32.2 mg/100g干重、托鲁拉红素14.2 mg/100g干重；Sporobolomyces ruberrimus H110在粗甘油培养基中产托鲁烯70 mg/L、托鲁拉红素350 mg/L。
研究结论
托鲁烯和托鲁拉红素具有作为食品、饲料添加剂、化妆品和医疗植入物涂层的潜在应用价值，尤其其抗氧化、抗菌和抗前列腺癌活性令人期待。但目前合成效率低且主要生产酵母非GRAS菌株，需借助基因工程获得安全高产的菌株并优化培养工艺，同时进一步开展人体试验以评估安全性和有效性。