成功地利用海洋藻类代谢工程合成有价值的抗氧化剂虾青素

图1:生物合成虾青素的方法:采用雨生血球藻(上图)的两步间歇法和本研究采用聚球藻PCC 7002的单步间歇法(下图)。来源:神户大学

日本神户大学工程生物学研究中心的HASUNUMA Tomohisa教授领导的一个研究小组成功地利用生长迅速的海洋蓝藻Synechococcus sp.PCC7002合成了天然色素虾青素。

这个过程需要光、水和二氧化碳从蓝细菌宿主中以更快的速度产生有价值的抗氧化剂虾青素,并且比以前生物合成这种有用物质的方法污染风险更低。动态代谢分析表明,虾青素的产生促进了聚球藻Synechococcus sp。PCC7002的中心代谢。

希望这些发展能够被用来满足制药和营养工业对天然虾青素的需求。

这项研究的结果首次发表在2019年10月25日的《ACS合成生物学》国际期刊上。

类胡萝卜素色素自然中最著名的是橙色β-carotene(β-胡萝卜素),发现在胡萝卜和其他蔬菜、水果和植物。对不同类胡萝卜素的各种研究表明,它们可以预防癌症、早衰和退化性疾病。

虾青素(粉红色类胡萝卜素)是已知类胡萝卜素中最强的抗氧化剂。由于其增强免疫反应和抗炎特性,它被用作水产养殖、化妆品、营养和制药等行业的天然色素。例如,它被用作鸡和鱼饲料的添加剂。

目前,大多数商品虾青素是由石油化工产品化学合成的。这使得大量生产以满足需求。然而,人们对从石油化工产品中合成的虾青素的安全性存在担忧,因此对天然虾青素的需求不断增加。

图2:对照菌株与产生虾青素的聚球菌的视觉比较。图3:虾青素生产引起的代谢变化的估计。来源:神户大学

研究背景

雨生红球藻能自然产生虾青素,是水鸟浴中常见的粉红色虾青素斑点的来源。对于商业虾青素的生产,雨生红球藻需要一个复杂的两阶段的过程。在第一生长阶段后,血球菌被置于诱导应激条件下,如氮饥饿或强光照射。这诱导植物形成血泡,并在第二阶段产生虾青素。然而,在第一阶段生长缓慢,随后在第二阶段细胞恶化,增加了污染的风险。此外,强光照射外推了生产成本。

因此,目前生产天然虾青素的方法在商业上还不足以大规模生产。如果能开发出更有效的生物生产方法,这种强大的抗氧化类胡萝卜素有望在营养和制药工业中进一步用于人类消费。

本研究加快了虾青素的生长速度,降低了生物合成虾青素的污染风险。研究人员成功地利用快速生长的海洋蓝绿藻物种,即蓝藻聚球藻属Synechococcus sp.,PCC7002作为宿主生产虾青素。这种藻类本身不能产生虾青素,然而通过整合β-胡萝卜素进入聚球藻属Synechococcus编码基因,表达基因只需要水,光和二氧化碳来生产虾青素。这种单阶段法不需要使细胞处于应激状态,而且与血球菌法相比,它能在更短的时间内产生虾青素。此外,本研究还提出,聚球菌中丰富的盐浓度也可以降低污染的风险。

如前所述,PCC7002聚球藻属Synechococcus sp.本身不产生虾青素。因此有必要从海洋细菌Brevundimonas sp.SD212中提取β-胡萝卜素羟化酶和β-胡萝卜素酮酶的编码基因。并将其集成到聚球藻属。然后表达这些基因以生物合成虾青素。在类似于自然光的无应力水平下,寄主Synechococcus sp.PCC7002通过光合作用产生虾青素。粉红色虾青素的产生使溶液变成深绿色。

这项研究被认为是世界上第一个利用这种特殊的海洋蓝藻成功生产虾青素的研究。以CO2为唯一碳源的聚球藻Synechococcus sp.PCC7002改良藻株产生3mg/g干细胞重虾青素,生产速度为3.35mg/L/d。这被认为是迄今为止使用绿藻的最高效率。

Hasunuma教授等人开发的动态代谢谱方法用于分析虾青素生产过程中细胞内的代谢。该分析揭示了磷酸盐组分的增加,特别是脱氧木酮糖5-磷酸酯(DXP)、甘氨醛3-磷酸酯(GAP);和甲基羟色胺醇4-磷酸酯。此外,中间脱氧木酮糖5-磷酸(DXP)在非代谢途径(虾青素生产的前体代谢途径)中的水平也增加了(图3)。体内碳标记显示,β-胡萝卜素编码基因的表达增强了中枢代谢中的碳流。

这些结果表明虾青素生产细胞在初始代谢阶段是活跃的。其原因被认为是由于蓝藻增强了其中枢代谢和非代谢途径,以试图补充用于合成虾青素的色素,如β-胡萝卜素。换句话说,虾青素的产生增强了聚球藻的中枢代谢。PCC7002用于以弥补捕光色素的缺乏。

希望进一步的代谢途径工程能够减少潜在的瓶颈,进一步提高虾青素产量。

总的来说,本研究表明修饰的聚球藻属。PCC7002是通过光合作用生物生产虾青素的有前途的宿主。这可以通过尝试利用聚球藻合成各种其他有用的物质来进一步研究。PCC7002。

此外,希望在本研究中开发的动态代谢谱方法可以用于提高对微生物、植物和动物代谢过程的理解

更多信息:tomohisa hasunuma等人。单阶段虾青素生产增强了聚球藻的非代谢途径和光合中枢代谢。pcc 7002,acs合成生物学(2019年)。DOI: 10.1021/acssynbio.9b00280

本文转自:藻类生态链

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