Как синтезировать бета каротин?

Каротеноиды оранжевого цвета каротеноиды в основном встречаются в фруктах, овощах и водорослях. Грау-каротин, как член семьи тетратеренов, обладает значительной биологической ценностью, выступая в качестве антиоксиданта для повышения иммунитета человека и проявляя антираковые свойства [1]. Он также является прекурсором витамина а и широко применяется в фармацевтической промышленности, пищевых добавках, косметике и продуктах питания [2]. С постоянным улучшением людей#39; санитарное просвещение, рыночная стоимость пищевых добавок постепенно растет, и рыночные перспективы являются многообещающими. Каротеноиды привлекли к себе широкое внимание, в частности грау-каротин, астаксантин, ликопен и лютейн. По прогнозам, мировой рынок каротеноидов вырастет с 2 миллиардов долларов США в 2022 году до 27 миллиардов долларов США к 2027 году, при этом совокупные годовые темпы роста (CAGR) составят 5,7%.

В настоящее время производство грава-каротина в основном опирается на естественную экстракцию, химический синтез и микробный синтез [3]. Естественная добыча, как правило, включает в себя извлечение каротеноидов из растений, овощей и водорослей, с сложными процессами очистки и низкой урожайностью. Химический синтез сталкивается с такими проблемами, как многоэтапные реакции, экологически неблагоприятные процессы и производство побочных продуктов и вредных веществ. Микробный синтез обладает такими преимуществами, как высокая урожайность, отсутствие образования побочных продуктов, низкие производственные издержки, мягкие производственные условия, снижение требований к рабочей силы и экологически чистые процессы. Поэтому строительство микробных клеточных заводов для гетерологического синтеза грава-каротина привлекает все больше внимания исследователей.

В связи с его многочисленными биологическими функциями рыночный спрос на грау-каротин быстро растет, что требует разработки новых биотехнологических производственных платформ. Исследования по синтезу грационного каротина с использованием синтетической биологии достигли значительного прогресса в таких областях, как инновационные метаболические инженерные стратегии, оптимизация условий ферментации и диверсификация выбора шасси-клеток, что значительно повысило урожайность гравитационного каротина. Однако из-за ограничений в области биотехнологии все еще существует значительный разрыв, прежде чем может быть достигнуто промышленное производство. Поэтому в настоящем документе рассматриваются физико-химические свойства, биосинтетические пути и нынешнее состояние исследований в области гравитационного каротина, систематически обобщаются метаболические стратегии синтеза гравитационного каротина и определяются проблемы и будущие направления исследований в области производства гравитационного каротина с использованием синтетических биологических технологий. Цель этого исследования состоит в Том, чтобы обеспечить основу для строительства заводов по производству микробных клеток для производства грава-каротина и других натуральных продуктов.

1 физические и химические свойства и функции

Грау-каротин представляет собой изопреноидное соединение, лизолюбный каротеноид, встречающийся в растениях и микроорганизмах, с химической формулой C40H56, молекулярным весом 536,88 и температурой плавления приблизительно 178 грац. Грау-каротин представляет собой тетратероновое соединение, состоящее из восьми изопреновых единиц и двух грау-каротеноидных колец, молекула которого полностью состоит из атомов углерода и водорода, а ядро состоит из 40 атомов углерода.

По своей природе большинство видов грава-каротина существует во всех транснациональных формах, и, как показано на рис. 1, их доля в структуре СНГ невелика. Грау-каротин проявляет липофильность и высокую гидрофобность благодаря своим сочетаемым двойным связям и центральной симметрии [4]. Грау-каротин обладает различной растворимостью в различных растворителях, будучи легко растворимым в органических растворителях, таких как хлороформ и ацетон, но нерастворимым в воде. Это вещество неустойчиво к свету и теплу, подвержено разложению и требует хранения при низких температурах вдали от света [5]. Во время экстракции грава-каротина антиоксиданты, такие как витамин с или 2,6-ди-трет-бутил-п-кресол часто добавляются, чтобы предотвратить окисление и разложение, тем самым улучшая - стабильность. - да.

Грау-каротин оказывает разнообразное профилактическое и терапевтическое воздействие на заболевания и благотворно влияет на здоровье человека. Во-первых, грау-каротин оказывает профилактическое воздействие на Рак. Исследования показали, что существует значительная связь между потреблением грава-каротина и риском рака легких, что означает, что более высокое потребление грава-каротина помогает снизить риск рака легких [6]. Во-вторых, грава-каротин также выполняет функцию профилактики сердечно-сосудистых заболеваний, препятствуя способности макрофагов окислительно изменять липобелки низкой плотности, тем самым снижая риск атеросклероза и снижая частоту сердечно-сосудистых заболеваний и связанных с ними смертей [7].

Стоит отметить, бета-каротин, как мощный антиоксидант, может устранить кислородные радикалы в организме человека и обладает высокой эффективностью синглетного кислородного подавления. Кроме того, как соединение провитамин а, грау-каротин является важным источником витамина а, играя решающую роль в дифференциации клеток, эмбриональном развитии и профилактике заболеваний сухих глаз. Это также способствует укреплению иммунной системы и повышению сопротивляемости инфекциям [8]. Продолжается изучение потенциальных выгод для здоровья от применения Грааль-каротина, и все более широкое распространение получают разработка и использование функциональных продуктов питания, богатых Грааль-каротином [9]. Поэтому развитие микробных клеточных заводов для эффективного синтеза грава-каротина биотехнологическими методами имеет важное рыночное применение Это очень важно.

2 биосинтетический путь "грау-каротин"

Каротеноиды представляют собой тетратероидные соединения со скелетом isopentenyl diфосфата (IPP). Биосинтез грау-каротина является частью биосинтеза каротеноидов. Ипп и диметилаллилдифосфат (дмапп) являются первоначальными структурными единицами для синтеза ликопена, грау-каротина и других каротиноидов [10]. Синтез пис и дмапп осуществляется главным образом по двум направлениям: по пути изофрениляции и по пути изофренила-дифосфата (мву). Дмапп — первоначальные структурные единицы для синтеза ликопена, грау-каротина и других каротиноидов [10]. Синтез IPP и DMAPP происходит главным образом из двух путей: путь мевалоновой кислоты (MVA) в цитоплазме и путь метилэритритолового фосфата (MEP) в пластидах. Биосинтетический путь грау-каротина можно в широком смысле разделить на компоненты, расположенные вверх и вниз по течению. На начальном этапе биосинтезный путь предполагает использование два и меп для получения пятиуглеродного прекурсора IP- п,образующего биосинтезный модуль IPP. Путь вниз по течению включает преобразование пятиуглеродного прекурсора в биосинтетический модуль "грау-каротин" (рис. 2).

2.1 биосинтетический модуль IPP

Путь MVA/данные отсутствуют.присутствует в большинстве эвкариотов, архаиях и высших растениях. В качестве исходного субстрата используется ацетиловая коа, получаемая гликолизом. Две молекулы ацетилкоа преобразуются в ацетилкоа (ацетоацетилкоа) путем ацетилкоа тиолазы (AACT), а затем ацетилкоа преобразуется в ацетилкоа путем ацетилкоа редуктазы (ACAR). Затем AACoA/данные отсутствуют.окисляется до ацетила-коа оксидазой ацетила-коа (ACO), и конечным продуктом является MVA. AACoA.,который затем конденсируется синтазой гидроксиметилглутарил-коа (HMGS), образуя 3- гидроксиметилглутарил-коа (HMG-CoA). Наконец, HMG-CoA/данные отсутствуют.доводится до MVA гидроксиметилглутарилcoA/данные отсутствуют.редуктазой (HMGR), необратимой реакцией, которая является основным шагом по ограничению скорости на пути движения MVA [11]. Впоследствии, под последовательным катализирующим действием нескольких ферментов, MVA преобразуется в IPP путем фосфоризации и декарбоксиляции. IPP может быть изомеризирован в DMAPP изомерами изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров изомеров.

Метод MEP, присутствующий во многих бактериях, водорослях и растениях, использует в качестве субстратов пироваты и глицерол -3- фосфаты. Под катализатором 1- деокси-д -xylulose-5- фосфатной синтазы (DXS), DXS) сформировать DXP. Затем 1- деокси-д -xylulose-5- фосфатный редуктоизомер (DXR) преобразует DXP в MEP, который затем преобразуется в IPP и DMAPP несколькими ферзимами. DXS и IDI рассматриваются в качестве ферментов, ограничивающих цены в изопентилационной пути. Повышение активности этих ферментов может повысить урожайность грава-каротина [12]. Помимо каротеноидного синтеза, IPP и DMAPP также являются прекурсорами для синтеза многих важных наркотиков, таких как артемизинин, олеанолиновая кислота и сквален.

2.2 биосинтезионный модуль "грау-каротин"

В биосинтезе β-carotene IPP проходит конденсацию и циклизацию под биокатализом ряда ферментов, образующих β-carotene. Синтез грава-каротина происходит главным образом в хлоропластах водорослей или цитоплазме микроорганизмов. В частности, молекулы IPP и DMAPP, производимые магистралями MVA и MEP, проходят последовательные ферзиматические реакции на последовательный конденсат и форму геранилпирофосфата (ГПП), фарнезилпирофосфата (ФПП) и геранилгеранилпирофосфата (ГГПП). И пирофосфата геранилгеранила (GGPP).

Две молекулы GGPP сначала преобразуются в фитоен фитоэсинтазой (CrtB), а затем затем преобразуются в ликопен фитоэдесатуразой (CrtI). Сформированный ликопен может быть циклизирован в грау-каротин под катализатором ликопен грау-циклоза (CrtY) или служить в качестве прекурсора для синтеза других каротиноидов. В исследованиях CrtYB.был признан бифункциональным ферментом, способным как преобразовать GGPP в октагидроликопен, так и циклизировать ликопен в грау-каротин [13]. Карп из цирцинеллоидов слизистой оболочки также представляет собой белок с двумя различными ферзиматическими видами деятельности, одновременно демонстрируя каталитическую активность октагидроликопен-синтазы и ликопен-цикликазы [14]. Кроме того, ивасака обнаружил трифункциональный фермент CrtIBY в Aurantiochytrium sp. Штамм KH105, который может напрямую преобразовать GGPP в β- каротин [15].

3 последние достижения в микробном синтезе грава-каротина

В связи с потенциальной коммерческой ценностью производства грава-каротина все большее внимание стало уделяться строительству заводов по производству микробных клеток для производства грава-каротина. Используя молекулярные биологические методы, несколько ключевых генов пути синтеза грава-каротина были чрезмерно перегружены, значительно увеличивая накопление грава-каротина в бактериях, дрожжах и водорослях. В настоящее время основными шасси-микроорганизмами, используемыми для производства грау-каротина, являются, в частности, Escherichia coli, - сачаромицисОбщее состояние здоровьяи Lipolytikus brevis. Конкретные методы модификации и мощность приводятся в таблице 1.

Escherichia coli — это широко используемый модельный микроорганизм. Благодаря своему ясному генетическому фоне, простым генетическим манипуляциям и быстрым темпам роста, Escherichia coli постепенно стала одной из наиболее часто используемых шасси-клеток для строительства заводов по производству микробных клеток, что делает его идеальным хозяевом клетки. Dai В то же время- эл. - привет.использовали библиотеку RBS для регулирования выражения ключевых генов DX- с,idi и CRВ случае необходимостив пути синтеза грава-каротина, тем самым увеличивая производство грава-каротина. Совокупное регулирование генов CRВ случае необходимостиoperon, DXS и idi привело к 35% увеличению производства грава-каротина [16]. Пентозный прекурсор IPP и кофакторы являются двумя важными факторами в производстве терпеноидов. Таким образом, пережав ограничивающий цены фермент DXS в пути MEP в Escherichia coli для увеличения углеродного потока IPP, выход каротеноидов увеличился в 3,5 раза [17].

Жао и др. интегрировали гены антоеа агломеранс-грационного синтеза каротена в геном эшерихии коли, затем разработали центральные метаболические модули для увеличения предложения прекурсоров (IPP и DMAPP) и кофакторов (ATP и NADPH), тем самым увеличивая производство грационного каротена с последующим пакетным ферментацией, что приводит к образованию грационного каротена в объеме 2,1 г/л [18]. Путь дсоп обладает значительным потенциалом для синтеза изосферных соединений. Неоднородное выражение полного пути два и генов синтеза грава-каротина в инженерии Escherichia coli увеличило производство грава-каротина до 465 мг/л [19]. В инженерии Escherichia coli ян одновременно переработал пути MEP и MVA для увеличения внутриклеточных концентраций IPP и GPP, что привело к значительному увеличению производства гравитационного каротина с конечной производительностью ферментации 3,2 г/л [20].

< < бейкер& > >#39; дрожжи s широко признается в качестве безопасного штамма дрожжей из-за своей простоты в генетических манипуляциях и толерантности к условиям производства, что делает его широко используется в промышленном производстве в качестве носителя синтеза различных соединений с высокой добавленной стоимостью. Хотя Saccharomyces Общее состояние здоровьяестественным образом не производит грау-каротин, она синтезирует важное прекурсорное соединение каротен -1,2,3,4, 6,7,8,8,9,10- декагидроз -1,10- дигидрокс -9,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1,10- дигидрокс -1

В работе YAMANO В то же время- эл. - привет.впервые сообщалось о гетерологичном производстве грава-каротина в Saccharomyces cerevisiae. Они добились производства ликопена и грау-каротена, выразив гены crt- э,crtB, crtI и crtY Pantoea ananatis; Однако доходность была очень низкой, всего 103 град/г [21]. Для дальнейшего повышения урожайности грава-каротена VERWAAL В то же время- эл. - привет.регламентировали выражение ключевых генов и предварительно создали завод грава-каротена в Saccharomyces cerevisiae. Они перегрузили синтазу GGPP и tHMG1, и рекомбинатные Saccharomyces cerevisiae в конечном итоге произвели 5,9 мг/г грау-каротина [22]. Поддержание баланса метаболических потоков и контролируемого выражения генов в ходе биосинтеза имеет решающее значение для эффективного производства химических веществ с высокой добавленной стоимостью. Xie В то же время- эл. - привет.взяли FPP, ключевой метаболический промежуточный продукт в биосинтезе между градом и каротином, в качестве узла для упорядоченного регулирования, корректировки потока вниз по течению, увеличения предложения прекурсоров и подавления конкурентных путей, достигнув производства градом-каротином 376 мг/л через ферментацию [23].

Вентилятор и др. сочетают в себе несколько метаболических стратегий, направленных на оптимизацию углеродного метаболизма, увеличение предложения прекурсора ацетилкоа, ослабление пути синтеза эргостерола и увеличение объема хранения грационного каротина. Кроме того, они оптимизировали систему гальванического производства, обусловленную йонным действием меди, с тем чтобы увеличить биомассу церебрышек сахаромицидов. После многочисленных изменений стратегии, титр между гранью и каротином достиг приблизительно 166 мг/л, что в пять раз выше, чем у родительского штамма до модификации [24].

Lipolytically modified - дрожжи.В настоящее времяa promising non-model fungus - что?cannot naturally synthesise β-carotene but can produce large amounts Соединенные Штаты америкиacetyl CoA precursors иaccumulate significant - липид.content. Since β-carotene is a lipophilic compound, lipolytically modified yeast may serve По состоянию на 31 декабряan excellent host дляВ настоящее времяoverПроизводство и продажаСоединенные Штаты америкиβ-carotene. Currently, various genetic manipulation tools have been developed иutilised, with an increasing number Соединенные Штаты америкиresearchers conducting Инженерно-технические работыmodifications. Jing В то же время- эл. - привет.впервые пережатые экзогенные гены в липолитококковых дрожжах, построили Грааль-каротин биосинэстетический путь, и устранили ограничения скорости в пути мва через метаболическую инженерию. Additionally, they further Усиленная система управленияВ настоящее времяlipid synthesis capacity Соединенные Штаты америкиВ настоящее времяПроектирование и ремонтstraВ случае необходимостииУвеличение объема ресурсовВ настоящее времяcopy number Соединенные Штаты америкиkey Гены и геныВ случае необходимостиВ настоящее время1. Биосинтезpathway, obtaining an engineered straВ случае необходимостиcapable Соединенные Штаты америкиefficiently synthesising β-carotene. Fed-batch fermentation yielded 2.7 g/L Соединенные Штаты америкиβ-carotene. The results indicate that increased intracellular lipids promote β-carotene synthesis, иВ настоящее времяexpression Соединенные Штаты америкиmultiple copies Соединенные Штаты америкиkey genes is an important Ii. Стратегиядляenhancing 3. МетаболизмУдельный вес потока[25].

Гао использовал сильного промоутера и перенапряг биосинтическую траекторию между градом и каротином, что привело к повышению урожайности грава-каротина более чем в 100 раз по сравнению с диким штаммом. С использованием оптимизированной среды для фед-пакетной ферментации было произведено 4 г/л грава-каротина. Это исследование показывает, что липолисихлорелла является идеальным местом для гетерологического синтеза грава-каротина [26]. Ларруда сочетала традиционные методы метаболической инженерии с новыми синтетическими биологическими инструментами для повышения синтеза липидов и числа генных копий, а также использовала оптимальные промоутеры для увеличения метаболического потока в направлении два, значительно улучшая урожайность грава-каротина. В результате пакетной ферментации fed-batch общий объем производства грава-каротина составил 6,5 г/л [27]. Интеграция метаболических инженерных стратегий с процессами фед-пакетной ферментации обеспечивает новый подход к синтезу каротеноидов и других терпеноидов с использованием липасно-унижающих дрожжей.

4 стратегии оптимизации

Благодаря постоянным инновациям и развитию биотехнологии, гравитационный каротин может быть быстро и удобно гетерологически синтезирован в микроорганизмах, таких как дрожжи липолитикуса и эшеричиа коли, посредством метаболической инженерии и синтетических биологических технологий, что приводит к непрерывному прорыву в производстве гравитационного каротина. Для дальнейшего изучения методов увеличения производства грационного каротина и достижения более высоких экономических выгод по-прежнему необходимы инновационные стратегии метаболической инженерии. В настоящее время был определен ряд стратегий, направленных на расширение производства гравитационного каротина, с уделением особого внимания прежде всего надph и поставкам атф, поставкам прекурсоров ацетилового кокса, подавлению конкуренции, клеточной раздробленности и более активному синтезу липидов (рис. 3).

4.1 надph и снабжение СПС

СПС и надф являются двумя важными факторами производства терпеноидов. Уровни этих кофакторов внутри клеток определяют метаболический поток, поскольку они участвуют в ферзиматических реакциях и регулируют состояние химического равновесия. Таким образом, регулирование уровней внутриклеточных кофакторов может увеличить метаболический поток к гравитационному синтезу каротина. Надф является основным поставщиком редукционных эквивалентов, необходимых для биосинтетического метаболизма, и важным фактором снижения, защищающим клетки от окислительного стресса. Кроме того, сообщается, что надф является основным фактором, ограничивающим скорость синтеза липидов в липидных дрожжах [38].

Атф играет решающую роль в биосинтезе, регулировании обмена веществ и поддержании роста клеток. Регулирование подачи атф в клетках может эффективно регулировать клеточный метаболизм [39]. Для получения дсоп и меп требуется более 17 ферментативных реакций и регенерации коферментов. Синтезирование одной молекулы IPP через путь MVA потребляет две молекулы надф и три молекулы атф, в то время как путь MEP требует три молекулы надф и две молекулы атф [40]. Например, в дрожжах для снижения HMG-CoA до метиленегликолата HMGR требуется использование надф в качестве кофактора [41].

Поэтому некоторые исследователи пытаются повысить урожайность грава-каротина путем увеличения предложения надph. Жао и др. разработали метод синтеза Грааль-каротина в кишечной палочке и центральный метаболический модуль для увеличения предложения атф и надф в целях расширения производства Грааль-каротина. После регулирования генов, вовлеченных в синтез атф, путь пентофосфата и цикл трикарбоксиловой кислоты, производство грава-каротина увеличилось соответственно на 21%, 17% и 39%. Совместная оптимизация модулей TCA и PPP продемонстрировала синергетический эффект на производство грационного каротина, что привело к увеличению урожайности грационного каротина на 64% [18].

Лю и др. исследовали потенциальные источники надph в Saccharomyces cerevisiae. Помимо пентофосфатного пути, который обеспечивает надф к цитоплазму, маннитольный цикл, малическая кислота, альдегид-дегидрогеназа и глутамат-дегидрогеназа участвуют в формировании цитоплазматического надф в Saccharomyces cerevisiae, который используется для биосинтеза липидов [42]. В биосинтезе каротеноидов предшественником грау-каротина является ликопен. В Солнце и др#39. Исследование s, регулирующее выражение генов, кодирующих грау-кетоглутаратную дегидрогеназу, сукинатную дегидрогеназу и алдолазу B в центральном метаболическом модуле, увеличило предложение NADPH и атф, в результате чего производство ликопена увеличилось на 76%, что могло бы дать представление о биосинтезе грау-каротена [43].

4.2 увеличение предложения прекурсора ацетилкоа

Липолируемые дрожжи идеально подходят для каротеноидного синтеза с высоким внутриклеточным ацетильным потоком коа, который служит сырьем для два пути. Для синтеза терпеноидных соединений решающее значение имеет адекватный запас ацетилового кокса. Увеличение поставок внутриклеточного ацетилового кокса способствует улучшению синтеза гравитационного каротина. Большая часть ацетилкоа в цитоплазме образуется цитратом лиазы (ACL) СПС СПС, который затем выводится цитратом из митохондрии в оксилоацетат и ацетилкоа [44].

Для поддержания высокого уровня ацетила-коа в цитоплазме цитрат должен постоянно выходить из митохондрии для гидролиза. Чжан и др., чрезмерно перегруженные амп в Saccharomyces cerevisiae, сдерживают активность изоцитрат-дегидрогеназы, тем самым повышая уровни цитрата и ацетил-коа [45]. Вентилятор и др. исследовали влияние внутриклеточного предложения ацетилкоа на производство гравитационного каротина путем строительства гетерологического пути ПК/пта, усиления пути пентофосфата и ингибирования эндогенного гликолитического пути в Saccharomyces cerevisiae для увеличения предложения ацетилкоа, что в конечном итоге привело к повышению урожайности гравитационного каротина в инженерном штамме на 105,94 мг/л, что на 56% больше по сравнению с контрольным штаммом [24]. Джин приняла иную стратегию по улучшению входа ацетила-коа в путь MVA путем чрезмерного прессования тgl3, PXA1, MFE1, POT1 и PEX10 для усиления гравитационного окисления жирных кислот, ослабляя путь липидного синтеза для восстановления ацетилового коа из липидов, тем самым увеличивая поток углерода в пути гравитационного синтеза каротина [46].

4.3 увеличение накопления липидов

β- каротин представляет собой липофильное соединение, которое в основном хранится в клеточных мембранах и липидных капельницах. У у умодифицировал клеточную мембрану в E. coli посредством мембранной инженерии, чтобы повысить ее способность к хранению грава-каротина, при этом модифицировав мембранную морфологию и пути синтеза липидов, показал синергетический эффект, что привело к увеличению в 2,2 раза урожайности грава-каротина [28]. Жао и др. направлены на увеличение пошагового накопления каротина в Saccharomyces cerevisiae путем использования метаболической инженерии для повышения содержания липидов, проектирования различных липидных метаболических путей в пошаговых производящих каротин штаммах, где чрезмерная компрессия ацилтрансферазов стерола ARE1 и ARE2 увеличила пошаговое производство каротина в 1,5 раза, а удаление фосфолипазы PAH1, DPP1 и LPP1 удвоило пошаговое производство каротина. Сочетание этих двух стратегий привело к 2,4 - кратному увеличению производства грационного каротина по сравнению с первоначальным штаммом [33].

Липолитические дрожжи является естественным масляным дрожжи, что делает его более подходящим, чем brewer' дрожжи для производства гидрофобии грау-каротин. Однако, поскольку как синтез липидов, так и синтез грава-каротина требуют ацетилкоа в качестве прекурсоров, необходимо изучить вопрос о Том, как сбалансировать распределение потока между этими двумя синтетическими путями для достижения оптимального состояния для дальнейшего увеличения производства грационного каротина. LARROUDE В то же время- эл. - привет.создали липидного производства сахаромицидных дрожжей штамм, способный к высокой липидной и гравюротеновой производства. По сравнению с контрольным штаммом накопление липидов увеличилось в 3,6 раза, при этом производство грационного каротина составило 8,9 мг/г DCW и 35,7 мг/л, что в 2,61 и 1,93 раза выше контрольного значения, соответственно [27].

4.4 ослабление регулирования конкуренции

В биосинтезинтическом пути грау-каротин IPP и DMAPP выступают в качестве основных метаболических промежуточных веществ, которые последовательно конденсируются для производства гэс, ФПП и пга. Под катализатором различных ферментов эти промежуточные продукты в дальнейшем генерируют монотерпены, сескитерпены, дитерпены, тритерпены и тетратерпены [47]. Чтобы перенацелить метаболический поток к синтезу грава-каротина, часто необходимо подавить конкурентные пути, подавить побочные реакции и повысить целевую производительность продукта. Путь синтеза эргостерола является конкурентным путем для синтеза грава-каротина, но эргостерол является компонентом клеточных мембран, и его отсутствие приводит к серьезным дефектам роста [48].

Для поддержания нормального роста клеток и увеличения метаболического потока между ними, килдегаард и др., понизив регулирование эргостерола биосинтеза в липах-дефективных дрожжевых путем усечения натурального промоутера или использования слабого промоутера. Зубчатый титр возникающего штамма увеличился в 2-2,5 раза, при этом самый высокий титер наблюдался, когда промоутер был сокращен до 50 бп, достигнув 797.1 мг/л [49]. Вентилятор и др. ввели последовательность вредителей на n-терминале синтазы сквалена, чтобы снизить устойчивость белка и ослабить синтез эргостерола. Результаты показали, что внедрение вредителями последовательности перенацелило метаболический поток из пути синтеза эргостерола в путь синтеза между градом и каротином, тем самым увеличив урожайность между градом и каротином [24]. Сао принял аналогичную стратегию, чтобы ослабить биосинтез эргостерола, заменив своего родного промоутера слабым промоутером HXT1, чтобы ослабить регулирование выражения ERG9 [44].

4.5 стратегии дробления

Стратегии разделения могут также препятствовать передаче метаболических потоков на конкурентные пути, выступая в качестве эффективной стратегии регулирования для повышения эффективности производства на микробных клеточных заводах [50]. Под разделением понимается разделение различных функциональных областей внутри клетки на отдельные отсеки, в первую очередь митохондрия, пероксисомы, эндоплазменная ретикум и аппарат гольги [51]. Каждая клетка обладает уникальной физико-химической средой с различными метаболитами, ферзимами и кофакторами. Использование клеточной раздробленности может способствовать синтезу терпеноидных соединений [52]. Внутриклеточные пути сборки могут уменьшить интерференцию между эндогенными и экзогенными путями, увеличить концентрацию субстратов и ферментов в конкретных пространствах, тем самым повышая скорость реакции и эффективность производства. Кроме того, они могут ограничивать ключевые метаболические промежуточные вещества внутри камер, препятствуя их передаче на конкурентные пути. Митохондрия является полуавтономным органом. Мацумото попытался локализовать путь синтеза каротеноидов к митохондрии, чтобы улучшить производство каротеноидов в Saccharomyces cerevisiae. По сравнению с штаммами, выражающими пути синтеза каротеноидов в цитоплазме, производство каротеноидов увеличилось в 13,82 раза с использованием фрагментарного синтеза [53].

Изопрену является предтечей для синтеза грау-каротина. Lv комбинировала mitochondrial Инженерно-технические работыс cytoplasmic Инженерно-технические работыдля комплексного использования ацетилового CoA. По сравнению с рекомбинантными штаммами, использующими только митохондриальную или цитоплазменную инженерию, уровни изопрена увеличились в 2,1-1,6 раза, соответственно. Эта стратегия обеспечивает эффективный метод повышения уровня изопрена в дрожжевых дрожжевых изделиях, а также может быть применима к биосинтезу грава-каротина [54]. Грау-каротин и астаксантин являются каротеноидами. Ма локализовала путь астаксантина синтеза в липосомы, эндоплазменную ретикум и пероксисому, соответственно. По сравнению с цитозолическим путем локализация синтеза в субклеточные организмы значительно увеличила выход, не только ускорив преобразование грава-каротина в астаксантин, но и значительно сократив накопление промежуточных веществ. Кроме того, благодаря одновременной локализации пути синтеза астаксантина в эндоплазменную ретикум, пероксисомы и эндоплазменную ретикум была достигнута наибольшая урожайность астаксантина 858 мг/л [55].

5 резюме и перспективы

Грау-каротин широко применяется в пищевой, пищевой, фармацевтической и косметической промышленности. В последние годы спрос на рынке продолжает расти, что делает создание эффективного, экологически чистого и устойчивого метода производства грава-каротина критически важным. С быстрым развитием метаболической инженерии и синтетической биологии, а также непрерывных углубленных исследований ее биосинтетических путей, строительство микробных клеточных заводов для производства грава-каротина стало одним из наиболее перспективных методов производства. В настоящем документе представлен обзор метода синтеза грау-каротина с использованием микроорганизмов с уделением особого внимания последним достижениям в области научных исследований и кратко излагаются общепринятые стратегии метаболической инженерии. В настоящее время стратегии увеличения производства грационного каротина включают главным образом поставку прекурсоров ацетилового кокса, обеспечение таких факторов, как СПС и надх, увеличение накопления липидов, ослабление регулирования конкурентных путей и стратегии дробления. Оптимизация потоков MVA и MEP является обычным методом увеличения потока IPP. В дополнение к вышеупомянутым стратегиям метаболической инженерии внедрение неместных способов увеличения предложения прекурсоров может существенно повлиять на производство гравитационного каротина. Например, путем введения искусственного способа использования изопентенола (IUP) в липазоистощенные дрожжи, уровни IPP и DMAPP были увеличены в 15,7 раза, что привело к значительному увеличению производства каротеноидов [40]. Поэтому использование микроорганизмов для производства гравитационного каротина имеет большой потенциал для будущего развития.

Несмотря на значительный прогресс в исследованиях в области биосинтеза грава-каротина, строительство заводов по производству микробных клеток остается сложной и многофакторной задачей. В результате биосинтез грау-каротина по-прежнему сталкивается с многочисленными проблемами, и лишь немногие искусственные микроорганизмы могут добиться промышленного производства. Необходимы дальнейшие реформы и инновации в биотехнологических методах. Например, генетические характеристики микроорганизмов ограничивают их применение в производстве. При построении биосинтетических путей, в то время как некоторые микробные процессы сосредоточены на геномной интеграции, большинство микроорганизмов по-прежнему полагаются на плазмидовыражение, которое часто требует широкого использования антибиотиков и увеличивает метаболическую нагрузку. Кроме того, выражение плазмид подвержено генетической нестабильности. Поэтому для решения этой проблемы необходимы более эффективные и быстрые инструменты управления генами, такие как система редактирования генов CRISPR/Cas9. Шварц разработал инструмент CRISPR/ cas9 для целеопределения и безлабной интеграции целевых генов в геном липолитококка lactis [56].

Ферменты играют решающую роль в строительстве сотовых заводов. Ферменты из различных источников могут иметь различные уровни выражения, когда они неоднородно выражены в организме, что требует тщательного отбора ферментов из различных источников или целенаправленной ферментной модификации. Канг использовал сборку RIAD-RIDD. Д.для создания мультиферментного комплекса di- crte, связывающего метаболические пути, значительно увеличивая поток каротеноидов [57]. Грау-каротин представляет собой внутриклеточный продукт, требующий клеточного Лиза и экстракции органических растворителей во время экстракции. Кроме того, гравитационный каротин крайне нестабилен и чувствителен к свету и теплу, подвержен окислительному разложению. Таким образом, выбор метода разрушения клеток значительно влияет на эффективность экстракции грава-каротина, что требует тщательного выбора соответствующих методов экстракции для обеспечения его стабильности. Необходимы дальнейшие исследования в области процессов извлечения грава-каротина. Решение этих проблем может ускорить промышленное применение грава-каротина и дать представление о производстве других каротиноидов.

Ссылка на сайт

[1]FIEDOR - джей,BURDA - к.потенциальная роль каротиноидов как антиоксидантов в здоровье человека и заболеваниях [J]. Питательные вещества, 2014, 6(2): 466-88.

[2] юар - джей,HU X X X X- г,Чэнь (Китай)- J.B и др. Извлечение грава-каротина из микроводорослей для проверки их пользы для здоровья [J]. Продукты питания, 2022, 11(4).

[3]SINGH R V, SAMBYAL K. обзор производства грава-каротина: текущее состояние и перспективы на будущее [J]. Бионаук пищевых продуктов, 2022, 47.

[4] родригез-амайя д б. структуры и анализ молекул каротеноидов [J]. Субклеточная биохимия, 2016, 79: 71 — 108.

[5]BOGACZ-RADOMSKA - L,HARASYM - джей. - привет.β-Carotene-properties иПроизводство и продажаmethods [J]. Качество и безопасность пищевых продуктов, 2018, 2(2): 69 — 74.

[6] ю н, су х, ван ц и др. Ассоциация приема витамина а и грава-каротина с риском рака легких: мета-анализ 19 публикаций [J]. Питательные вещества, 2015, 7(11): 9309-24.

[7]CARROLL Y - L,CORRIDAN B - м,MORRISSEY P A. липопротеиновые каротеноидные профили и др Восприимчивость липопротеина низкой плотности к окислительным изменениям у здоровых пожилых добровольцев [J]. Европейский журнал клинического питания, 2000, 54(6): 500-7.

[8]HASKELL M J. задача по достижению достаточности питания витамина A: наличие грава-каротина и доказательств конвергенции у человека [J]. American Journal Соединенные Штаты америкиClinical Nutrition, 2012, 96(5): 1193 - s - 203s.

[9] янг дж., чжан у., на х., и др. Питательные вещества, 2022, 14(6).

[10] ван дж., нийомпанич с., тай и др. Разработка высокоэффективного штамма Escherichia coli для мевалонатной ферментации через хромосомальную интеграцию [J]. Прикладная и экологическая микробиология, 2016, 82(24): 7176-84.

[11] кайзер - L, В чем дело? D  - джей, Пфлегер (PFLEGER) B  F, F, В то же время - эл. - привет. 3. Применение of  Функциональные возможности системы Ii. Геномика По адресу: Путь к успеху 3. Оптимизация для increased  Производство изопреноидов [J]. Прикладная и экологическая микробиология, 2008, 74(10): 3229-41.

[12] Юлия C, C,C, - сваффорд. C. C. A., - сински. A  J.   Модульная система управления  Инженерно-технические работы для На микробной основе Производство и продажа of  - каротеноиды  [J]. 3. Метаболизм Инженерные коммуникации, 2020, 10: е00118 - е.

[13] вердо J  C,   - сандман.  G,  - привет, виссер. - г,  В то же время - эл. - привет. 3. Метаболизм Инженерно-технические работы  of  В настоящее время  - каротеноид bioСинтетические продукты (синтетические продукты) Путь к успеху  В случае необходимости the  Дрожжи Xanthophyllomyces dendrorhous (Phaffia rhodozyma) [J]. Прикладная и экологическая микробиология, 2003, 69(7): 3728-38.

[14] велайос а, эклава а п, итурриага е а. бифункциональный фермент с ликопеновой циклоразой и фитоэновой синтазой кодируется карточным геном цирцинеллоидов [J]. Европейский журнал биохимии, 2000, 267(17): 5509-19.

[15] ивасака х, Коянаги (KOYANAGI) - р, - сато - р, В то же время - эл. - привет. A  Возможно ли это? 3. Тройные функции - о, каротин Синхронизация функций - генная инженерия Число выявленных нарушений В случае необходимости the  Проект резолюции ii Геном (Genome) Штамм аврантиохитрия sp KH105 [J]. Гены, 2018, 9(4).

[16] DAI G P, Солнце и Солнце- т,MIAO L - т,В то же время- эл. - привет.Модулирующее выражение ключевых генов в рамках β-carotene synthetic pathway в recombinant Escherichia coli с библиотекой RBS для улучшения β-carotene production[J]. Китайский журнал биотехнологии, 2014, 30(08): 1193-203.

[17] ким м джей, но м ч, у с и др. Увеличение производства ликопена в Escherichia coli путем выражения двух ферментов MEP путей из Vibrio sp. Dhg [J]. Катализаторы, 2019, 9(12).

[18] чжао дж., ли к., сун т., и др. Инжиниринговые центральные метаболические модули Escherichia coli для улучшения производства грава-каротина [J]. Метаболическая инженерия, 2013, 17: 42 — 50.

[19] юн с-х, ли с-х, дас а, и др. Комбинаторное выражение бактериального цельного мевалонатного пути для производства грау-каротина в кишечной палочки [J]. Журнал биотехнологии, 2009, 140(3-4): 218-26.

[20] YANG - джей,GUO L. Biosynthesis - о-каротинВ случае необходимостиengineered E. coli using the MEP иMVA pathways [J]. Фабрики по производству микробных клеток, 2014 год 13.

[21] ямано - с, 13. Исии - т, - накагава - м, В то же время - эл. - привет. 3. Метаболизм Инженерно-технические работы для Производство и продажа of  Бета-каротин и 1. Ликопен В случае необходимости Saccharomyces cerevisiae [J]. Бионаук, биотехнология и биохимия, 1994, 58(6): 1112-4.

[22] верваал - р, 13. Ван - джей, Майнен (MEIJNEN) - джей-пи, В то же время - эл. - привет. На высоком уровне Производство и продажа of  Бета-каротин  В случае необходимости Saccharomyces  cerevisiae  По запросу: Последовательное преобразование с помощью каротеногенных генов из ксантофилломициса дендрорхоуса [J]. Прикладная и экологическая микробиология, 2007, 73(13): 4342-50.

[23] се Ч, ч, ч.е - L,LV - X,и др. Последовательный контроль биосинтетических путей сбалансированного использования метаболических промежуточных веществ в Saccharomyces cerevisiae [J]. Метаболическая инженерия, 2015, 28: 8-18.

[24] FAN - джей,Чжан (Китай)Y, LI W, В то же время- эл. - привет.Многомерная оптимизация Saccharomyces cerevisiae Для перепроизводства каротеноидов [J]. Исследования в области биодизайна, 2024, 6: 0026 —.

[25] цзин и, ван й, гао х и др. Увеличение производства грава-каротина в 3. ЯрровияОрганизация < < липолитика > >через метаболическую и ферментацию инженерии [J]. Журнал промышленной микробиологии и Биотехнология, 2023, 50(1).

[26] гао С, тонг Y, чжу л и др. Итеративная интеграция генов путей с несколькими экземплярами Ярровия липолитика для гетерологических Производство грау-каротина [J]. Метаболическая инженерия, 2017, 41: 192 — 201.

[27] ларруд - м,  3. Селинска E,  назад A,   В то же время - эл. - привет. A  synthetic  1. Биология  Ii. Подход По адресу: 1. Преобразование  3. Ярровия Организация < < липолитика > > В Том числе: a  Конкурентоспособный биотехнологический производитель грау-каротин [J]. Биотехнология и биоинженерия, 2018, 115(2): 464 — 72.

[28] у T,  С вами L,  Чжао чжао чжао - д, В то же время - эл. - привет. - на мембране Инженерно-технические работы -  - это роман. strategy  По адресу: Повышение эффективности системы the  Производство и продажа и B. накопление запасов of β-carotene  В Escherichia coli [J]. Метаболическая инженерия, 2017, 43: 85 — 91.

[29] у - ти, ли С, ты L,  В то же время Al. Инженерное дело Искусственный оборот мембранного везикля В системе организации объединенных наций (AMVTS) - для экскреции Грау-каротин в эшерихии койл [J]. Оао синтетическая биология, 2019, 8(5): 1037 — 46.

[30] чжао цзинь, лю и, ли цинян и др. Многочисленные регулятивные элементы модулируют выражение генов, участвующих в биосинтезе терпеноидов, для повышения производства грава-каротина [J]. Журнал биотехнологии, 2013, 29(01): 41-55.

[31] WU Y, YAN P, LI Y, В то же время- эл. - привет.Увеличение производства грава-каротина в Escherichia coli путем нарушения центрального углеродного обмена и улучшения питания надph [J]. Границы биоинженерии и биотехнологии, 2020, 8.

[32] BU - X,Париж (Франция)- джей-Ай,DUAN C-Q, et al. Дуальное регулирование липидного капельного триацилглицерольного метаболизма и экспрессии ERG9 для улучшения производства гравитационного каротина в Saccharomyces cerevisiae [J]. Микробные клеточные заводы, 2022, 21(1).

[33] чжао и, чжан и, нильсен дж., и др. Производство грава-каротина в Saccharomyces cerevisiae путем изменения метаболизма липидов дрожжей [J]. Биотехнология и биоинженерия, 2021, 118(5): 2043 — 52.

[34] ли - джей, Организация < < шен > > J,  SUN  - Z, et  al.  Поиск по сайту Из нескольких новых книг Цели и задачи that  Повышение эффективности системы - о, каротин Производство и продажа В сакчаромициях cerevisiae  [J]. Рубежи микробиологии, 2017, 8.

[35] - mY, Лю (LIU)N, GREISEN P и др. Удаление ликопенового субстрата ингибирование обеспечивает высокую производительность каротеноидов в 3. ЯрровияОрганизация < < липолитика > >[J]. Связь с природой, 2022, 13(1).

[36] лю м, чжан дж., е ж., и др. Морфологическая и метаболическая инженерия 3. ЯрровияОрганизация < < липолитика > >для увеличения производства грава-каротина [J]. Оао синтетическая биология, 2021, 10(12): 3551-60.

[37] чжан X  - к, 13. Ван D N, Чэнь (Китай) J,  et  al.  3. Метаболизм Инженерно-технические работы Биосинтеза грау-каротин В случае необходимости 3. Ярровия Организация < < липолитика > > [J]. Биотехнологические письма, 2020, 42(6): 945-56.

[38] цяо - к, В. василенко T  - м, Париж (Франция) - к, et  al.  - липид. Производство и продажа in  Yarrowia  lipolytica  is  Максимально возможное количество По запросу: engineering  - цитозолик Redox метаболизм [J]. Природа биотехнологии, 2017, 35(2): 173-7.

[39] MAN Z, GUO J, ZHANG Y и др. Регулирование внутриклеточных поставок СПС и его применение в промышленной биотехнологии [J]. Критические обзоры в области биотехнологии, 2020 год, 40(8): 1151-62.

[40] Лу з, лю н, лазар з и др. Улучшает синтез изопреноидов Ярровия липолитика путем выражения пути использования изопентенола и модулирования внутриклеточной гидрофотобности [J]. Метаболическая инженерия, 2020, 61: 344 — 51.

[41] цао - X, Вэй (WEI) L-J, LIN  J-Y,  et  al.  Повышение эффективности управления - линалул production  По запросу: engineering  - олагиноз. yeast  Yarrowia  lipolytica  [J]. Технология биоресурсов, 2017, 245: 1641 — 4.

[42] лю х, марсафари м, денг л и др. Понимание липогенеза динамическим профилированием трангибиционной деятельности липогенных промоутеров в Yarrowia lipolytica [J]. Прикладная микробиология и биотехнология, 2019, 103(7): 3167 — 79.

[43] сун т, мяо л, ли кью и др. Производство ликопена путем метаболической инженерии Escherichia coli [J]. Биотехнологические письма, 2014, 36(7): 1515-22.

[44] цао X, ю W, чэнь Y и др. Машиностроительные дрожжи для высококачественного производства дитерпеноида склереола [J]. Метаболическая инженерия, 2023, 75: 19 — 28.

[45] чжан X-K, Ни (*) М-м, Чэнь (Китай) J,  et  al.  - мультикопи. Участники процесса интеграции of  КГД-кр genes  and  Совместное выражение мнений of  С помощью усилителя - деаминасе Для улучшения качества Производство ликопена в Yarrowia lipolytica [J]. Журнал биотехнологии, 2019, 289: 46 — 54.

[46] джин C-C, ZHANG  Я-я, Песня для песни - г, et  al.  Повышение производительности труда the  2. Биосинтез - из бетулинического - кислота; and  По теме: - тритерпеноиды in  Yarrowia  lipolytica  Через многомодульную метаболическую инженерию [J]. Фабрики микробных клеток, 2019, 18.

[47] садр - р, Ко (фр.) P,  CHEN  J,  et  al.  - цитозолик lipid  Количество капель в крови as  engineered  1. Организация Объединенных Наций для production  and  B. накопление запасов of  Биоматериалы терпеноидов в листьях [J]. Nature Communications, 2019, 10.

[48] танака S,  - тани, тани. - м. - манносилинозитол фосфорилцерамиды and  - эргостерол. - коодинально Техническое обслуживание и ремонт 1. Ячейка 1. Стена Целостность и неподкупность in  the  Дрожжи Saccharomyces cerevisiae [J]. Febs Journal, 2018, 285(13): 2405-27.

[49] килдегард к р, адиэго-перес б, бельда д 'д и др. Инжиниринг Yarrowia lipolytica для производства astaxanthin [J]. Синтетическая и системная биотехнология, 2017, 2(4): 287 — 94.

[50] яо L,  WU  X,  В настоящее время X,  et  al.  3. Подклеточные устройства Разделение функций на отдельные подразделения in  the  2. Биосинтез and  engineering  of  На территории предприятия По окружающей среде Товары для дома [J]. Достижения биотехнологии, 2023, 69.

[51] больше T  - г, - хиллер. - привет. K.  3. Сложность of  3. Подклеточные устройства Обмен веществ: Ii. Стратегии for  Конкретные подразделения 1. Профилирование [J]. В настоящее время Мнение по этому вопросу В биотехнологии, 2022, 75.

[52] WANG R, LIU X, LV B и др. Проектирование внутриклеточных отсеков для эффективных инженерных заводов по производству микробных элементов [J]. Синтетическая биология оао, 2023, 12(5): 1378-95.

[53] мацумото т, осава т, танигути х и др. Митохондриальное выражение метаболических ферментов для улучшения производства каротеноидов в Saccharomyces cerevisiae [J]. Журнал биохимической инженерии, 2022, 189.

[54] LV X, WANG F, ZHOU P, et al. Двойное регулирование использования цитоплазмы и митохондриального ацетила-коа для улучшения производства изопрена в Saccharomyces cerevisiae [J]. Природа коммуникации, 2016, 7.

[55] MA Y, LI J, HUANG S и др. Таргетирование выражения пути к субклеточным органилам улучшает астаксинтонный синтез в Yarrowia lipolytica [J]. Метаболическая инженерия, 2021, 68: 152 — 61.

[56] шварц с, шаббир-хуссейн м, фрог к и др. Стандартизированная генная интеграция без маркеров для проектирования путей в Yarrowia lipolytica [J]. Acs Synthetic Biology, 2017, 6(3): 402-9.

[57] кан  W,   MA  T,   LIU   M,   et   al.   Модульная система управления  1. Фермент  Организация Объединенных Наций  for   enhanced   13. Каскад - биокатализ  and   metabolic   flux   [J]. Nature Communications, 2019, 10.