成功地利用海洋藻類代謝工程合成有價值的抗氧化劑蝦青素

圖1:生物合成蝦青素的方法:采用雨生血球藻(上圖)的兩步間歇法和本研究采用聚球藻PCC 7002的單步間歇法(下圖)。來源:神戶大學

日本神戶大學工程生物學研究中心的HASUNUMA Tomohisa教授領導的一個研究小組成功地利用生長迅速的海洋藍藻Synechococcus sp.PCC7002合成了天然色素蝦青素。

這個過程需要光、水和二氧化碳從藍細菌宿主中以更快的速度產生有價值的抗氧化劑蝦青素,并且比以前生物合成這種有用物質的方法污染風險更低。動態代謝分析表明,蝦青素的產生促進了聚球藻Synechococcus sp.PCC7002的中心代謝。

希望這些發展能夠被用來滿足制藥和營養工業對天然蝦青素的需求。

這項研究的結果首次發表在2019年10月25日的《ACS合成生物學》國際期刊上。

類胡蘿卜素色素自然中最著名的是橙色β-carotene(β-胡蘿卜素),發現在胡蘿卜和其他蔬菜、水果和植物。對不同類胡蘿卜素的各種研究表明,它們可以預防癌癥、早衰和退化性疾病。

蝦青素(粉紅色類胡蘿卜素)是已知類胡蘿卜素中最強的抗氧化劑。由于其增強免疫反應和抗炎特性,它被用作水產養殖、化妝品、營養和制藥等行業的天然色素。例如,它被用作雞和魚飼料的添加劑。

目前,大多數商品蝦青素是由石油化工產品化學合成的。這使得大量生產以滿足需求。然而,人們對從石油化工產品中合成的蝦青素的安全性存在擔憂,因此對天然蝦青素的需求不斷增加。

圖2:對照菌株與產生蝦青素的聚球菌的視覺比較。圖3:蝦青素生產引起的代謝變化的估計。來源:神戶大學

研究背景

雨生紅球藻能自然產生蝦青素,是水鳥浴中常見的粉紅色蝦青素斑點的來源。對于商業蝦青素的生產,雨生紅球藻需要一個復雜的兩階段的過程。在第一生長階段后,血球菌被置于誘導應激條件下,如氮饑餓或強光照射。這誘導植物形成血泡,并在第二階段產生蝦青素。然而,在第一階段生長緩慢,隨后在第二階段細胞惡化,增加了污染的風險。此外,強光照射外推了生產成本。

因此,目前生產天然蝦青素的方法在商業上還不足以大規模生產。如果能開發出更有效的生物生產方法,這種強大的抗氧化類胡蘿卜素有望在營養和制藥工業中進一步用于人類消費。

本研究加快了蝦青素的生長速度,降低了生物合成蝦青素的污染風險。研究人員成功地利用快速生長的海洋藍綠藻物種,即藍藻聚球藻屬Synechococcus sp.,PCC7002作為宿主生產蝦青素。這種藻類本身不能產生蝦青素,然而通過整合β-胡蘿卜素進入聚球藻屬Synechococcus編碼基因,表達基因只需要水,光和二氧化碳來生產蝦青素。這種單階段法不需要使細胞處于應激狀態,而且與血球菌法相比,它能在更短的時間內產生蝦青素。此外,本研究還提出,聚球菌中豐富的鹽濃度也可以降低污染的風險。

如前所述,PCC7002聚球藻屬Synechococcus sp.本身不產生蝦青素。因此有必要從海洋細菌Brevundimonas sp.SD212中提取β-胡蘿卜素羥化酶和β-胡蘿卜素酮酶的編碼基因。并將其集成到聚球藻屬。然后表達這些基因以生物合成蝦青素。在類似于自然光的無應力水平下,寄主Synechococcus sp.PCC7002通過光合作用產生蝦青素。粉紅色蝦青素的產生使溶液變成深綠色。

這項研究被認為是世界上第一個利用這種特殊的海洋藍藻成功生產蝦青素的研究。以CO2為唯一碳源的聚球藻Synechococcus sp.PCC7002改良藻株產生3mg/g干細胞重蝦青素,生產速度為3.35mg/L/d。這被認為是迄今為止使用綠藻的最高效率。

Hasunuma教授等人開發的動態代謝譜方法用于分析蝦青素生產過程中細胞內的代謝。該分析揭示了磷酸鹽組分的增加,特別是脫氧木酮糖5-磷酸酯(DXP)、甘氨醛3-磷酸酯(GAP);和甲基羥色胺醇4-磷酸酯。此外,中間脫氧木酮糖5-磷酸(DXP)在非代謝途徑(蝦青素生產的前體代謝途徑)中的水平也增加了(圖3)。體內碳標記顯示,β-胡蘿卜素編碼基因的表達增強了中樞代謝中的碳流。

這些結果表明蝦青素生產細胞在初始代謝階段是活躍的。其原因被認為是由于藍藻增強了其中樞代謝和非代謝途徑,以試圖補充用于合成蝦青素的色素,如β-胡蘿卜素。換句話說,蝦青素的產生增強了聚球藻的中樞代謝。PCC7002用于以彌補捕光色素的缺乏。

希望進一步的代謝途徑工程能夠減少潛在的瓶頸,進一步提高蝦青素產量。

總的來說,本研究表明修飾的聚球藻屬。PCC7002是通過光合作用生物生產蝦青素的有前途的宿主。這可以通過嘗試利用聚球藻合成各種其他有用的物質來進一步研究。PCC7002。

此外,希望在本研究中開發的動態代謝譜方法可以用于提高對微生物、植物和動物代謝過程的理解

更多信息:tomohisa hasunuma等人。單階段蝦青素生產增強了聚球藻的非代謝途徑和光合中樞代謝。pcc 7002,acs合成生物學(2019年)。DOI: 10.1021/acssynbio.9b00280

本文轉自:藻類生態鏈

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