蝦青素是一類具有較強(qiáng)抗氧化能力的類胡蘿卜素，在保健、醫(yī)藥、化妝品、食品添加劑和水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)天然產(chǎn)物需求的增加，蝦青素的微生物生產(chǎn)已成為一個(gè)新的熱點(diǎn)。

近日，南京工業(yè)大學(xué)的章文明教授、信豐學(xué)教授在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上發(fā)表了題為“Microbial astaxanthin synthesis by Komagataella phaffii through the metabolic and fermentation engineering”的研究論文，博士生王靖楠為論文的第一作者。該研究通過(guò)代謝工程改造巴斯德畢赤酵母成功實(shí)現(xiàn)了左旋蝦青素的異源合成。

研究團(tuán)隊(duì)首先探究了蝦青素合成關(guān)鍵酶 β-胡蘿卜素酮醇酶和 β-胡蘿卜素羥化酶的酶學(xué)性質(zhì)，通過(guò)自組裝和酶融合的方式提高關(guān)鍵酶活性，增強(qiáng) β-胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化效率。隨后，通過(guò)輔因子工程和發(fā)酵工程優(yōu)化，在搖瓶發(fā)酵中蝦青素的產(chǎn)量達(dá)到 178.99 mg/L，5 L 生物反應(yīng)器中產(chǎn)量達(dá)到 716.13 mg/L，為巴斯德畢赤酵母合成蝦青素的最高產(chǎn)量，為新型抗氧化飼用蛋白的生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

蝦青素全稱為 3，3'-二羥基-β 胡蘿卜素-4，4'-酮，其具有比維生素 E 等更強(qiáng)的抗氧化活性（500 倍以上），可有效抑制細(xì)胞的氧化損傷和癌變，同時(shí)還具有抗高血壓、預(yù)防心血管疾病、增強(qiáng)免疫等諸多功效，已廣泛用于動(dòng)物飼料、保健食品、化妝品和醫(yī)療制劑等領(lǐng)域。

歐盟已批準(zhǔn)蝦青素用作膳食補(bǔ)充劑，美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）也已批準(zhǔn)將蝦青素用作動(dòng)物和魚類飼料的食物著色劑，中國(guó)也允許在食品和飼料添加劑中使用蝦青素。隨著人們對(duì)天然產(chǎn)品需求的增加，預(yù)計(jì)到 2027 年，蝦青素的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 34 億美元。目前，蝦青素的生產(chǎn)方法包括天然提取、化學(xué)合成和微生物發(fā)酵。然而，天然提取產(chǎn)量低、成本高，化學(xué)合成過(guò)程復(fù)雜、成本高且會(huì)產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物。因此，微生物發(fā)酵因其環(huán)保和高效的特點(diǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注。

圖 1 | 在巴斯德畢赤酵母中構(gòu)建蝦青素生物合成路徑

首先，研究人員將來(lái)源于來(lái)源于雨生紅球藻的蝦青素合成途徑整合至巴斯德畢赤酵母的基因組中，能夠利用葡萄糖從頭合成左旋蝦青素（圖 1）。為了解決蝦青素合成菌株存在菌株退化的問(wèn)題，研究人員將合成途徑的各個(gè)基因替換了不同的啟動(dòng)子，獲得了能穩(wěn)定生產(chǎn)蝦青素的工程菌株（圖 2）。

圖 2 | 重組巴斯德畢赤酵母蝦青素生物合成途徑的構(gòu)建

隨后，對(duì)蝦青素合成途徑關(guān)鍵酶 β-胡蘿卜素酮醇酶（CrtW）和 β-胡蘿卜素羥化酶（CrtZ）進(jìn)行酶學(xué)性質(zhì)探究，利用激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）驗(yàn)證了這兩個(gè)蛋白屬于膜蛋白，并通過(guò) qRT-PCR 探究了其對(duì)蝦青素合成路徑其他酶的影響（圖 3）

圖 3 | 蝦青素合成關(guān)鍵酶的結(jié)構(gòu)與功能驗(yàn)證

基于此，對(duì) CrtW 和 CrtZ 進(jìn)行了自組裝和酶融合，以減少中間代謝物的傳輸距離，增加酶的活性。此外，蝦青素的合成過(guò)程需要 NADPH 的參與，研究人員將來(lái)源于釀酒酵母的 NADPH 再生途徑引入巴斯德畢赤酵母中，構(gòu)建輔因子工程。研究表明，通過(guò)輔因子策略，胞內(nèi)的 NADPH 含量增加了兩倍，蝦青素合成途徑中關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄水平明顯提高。通過(guò)優(yōu)化培養(yǎng)條件，包括：溫度、碳源種類、碳源濃度、氮源種類，進(jìn)一步提升蝦青素的產(chǎn)量。以及外源添加金屬離子、BHT 和吐溫-80，將蝦青素的產(chǎn)量提高至 178.99 mg/L。

圖 4 | 5 L 生物反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)料發(fā)酵實(shí)現(xiàn)蝦青素的高密度生產(chǎn)

最后，在 5 L 生物反應(yīng)器中進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)料發(fā)酵，工程菌以葡萄糖為唯一碳源能產(chǎn)生 716.13 mg/L 蝦青素，為巴斯德畢赤酵母生產(chǎn)蝦青素的最高水平（圖 4）。同時(shí)，也首次實(shí)現(xiàn)了以甲醇為唯一碳源合成蝦青素。

1. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jafc.4c10113

免責(zé)聲明：本文旨在傳遞合成生物學(xué)最新訊息，不代表平臺(tái)立場(chǎng)，不構(gòu)成任何投資意見和建議，以官方/公司公告為準(zhǔn)。本文也不是治療方案推薦，如需獲得治療方案指導(dǎo)，請(qǐng)前往正規(guī)醫(yī)院就診。

特別聲明：以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺(tái)“網(wǎng)易號(hào)”用戶上傳并發(fā)布，本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相關(guān)知識(shí)

合成生物學(xué)大突破！珠海元育生物將全左旋蝦青素生產(chǎn)效率提高120至300倍
20個(gè)月，3大平臺(tái)，300倍！元育生物以全左旋蝦青素引領(lǐng)合成生物新紀(jì)元
到西部去，到鄉(xiāng)村去！江蘇大學(xué)畢業(yè)生基層一線書寫青春華章
江南大學(xué)X多燕瘦“活酵素發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)室”，讓科技發(fā)酵更多價(jià)值
大學(xué)畢業(yè)生職業(yè)規(guī)劃范文(9篇)
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)熊波課題組揭示哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞減數(shù)分裂成熟新機(jī)制
【研究報(bào)告】合成生物農(nóng)業(yè)食品應(yīng)用產(chǎn)業(yè)圖譜，一文看懂合成生物8大應(yīng)用場(chǎng)景
酵素專家趙黎明：酵素是功能性產(chǎn)品 有功效｜華東理工大學(xué)
南京中醫(yī)藥大學(xué)經(jīng)方應(yīng)用微專業(yè)招生簡(jiǎn)章
華南生物與四川大學(xué)聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)：蝦青素聯(lián)合姜黃素可顯著延緩卵巢衰老

網(wǎng)址: 南京工業(yè)大學(xué)章文明/信豐學(xué)利用畢赤酵母實(shí)現(xiàn)蝦青素生物合成 http://m.u1s5d6.cn/newsview1551255.html