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(lái)源:神戶大學(xué)
日本神戶大學(xué)工程生物學(xué)研究中心的HASUNUMA Tomohisa教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組成功地利用生長(zhǎng)迅速的海洋藍(lán)藻Synechococcus sp.PCC7002合成了天然色素蝦青素。
這個(gè)過(guò)程需要光、水和二氧化碳從藍(lán)細(xì)菌宿主中以更快的速度產(chǎn)生有價(jià)值的抗氧化劑蝦青素，并且比以前生物合成這種有用物質(zhì)的方法污染風(fēng)險(xiǎn)更低。動(dòng)態(tài)代謝分析表明，蝦青素的產(chǎn)生促進(jìn)了聚球藻Synechococcus sp.PCC7002的中心代謝。
希望這些發(fā)展能夠被用來(lái)滿足制藥和營(yíng)養(yǎng)工業(yè)對(duì)天然蝦青素的需求。
這項(xiàng)研究的結(jié)果首次發(fā)表在2019年10月25日的《ACS合成生物學(xué)》國(guó)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(fā)現(xiàn)在胡蘿卜和其他蔬菜、水果和植物。對(duì)不同類胡蘿卜素的各種研究表明，它們可以預(yù)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(qiáng)的抗氧化劑。由于其增強(qiáng)免疫反應(yīng)和抗炎特性，它被用作水產(chǎn)養(yǎng)殖、化妝品、營(yíng)養(yǎng)和制藥等行業(yè)的天然色素。例如，它被用作雞和魚(yú)飼料的添加劑。
目前，大多數(shù)商品蝦青素是由石油化工產(chǎn)品化學(xué)合成的。這使得大量生產(chǎn)以滿足需求。然而，人們對(duì)從石油化工產(chǎn)品中合成的蝦青素的安全性存在擔(dān)憂，因此對(duì)天然蝦青素的需求不斷增加。
圖2:對(duì)照菌株與產(chǎn)生蝦青素的聚球菌的視覺(jué)比較。圖3:蝦青素生產(chǎn)引起的代謝變化的估計(jì)。來(lái)源:神戶大學(xué)
研究背景
雨生紅球藻能自然產(chǎn)生蝦青素，是水鳥(niǎo)浴中常見(jiàn)的粉紅色蝦青素斑點(diǎn)的來(lái)源。對(duì)于商業(yè)蝦青素的生產(chǎn)，雨生紅球藻需要一個(gè)復(fù)雜的兩階段的過(guò)程。在第一生長(zhǎng)階段后，血球菌被置于誘導(dǎo)應(yīng)激條件下，如氮饑餓或強(qiáng)光照射。這誘導(dǎo)植物形成血泡，并在第二階段產(chǎn)生蝦青素。然而，在第一階段生長(zhǎng)緩慢，隨后在第二階段細(xì)胞惡化，增加了污染的風(fēng)險(xiǎn)。此外，強(qiáng)光照射外推了生產(chǎn)成本。
因此，目前生產(chǎn)天然蝦青素的方法在商業(yè)上還不足以大規(guī)模生產(chǎn)。如果能開(kāi)發(fā)出更有效的生物生產(chǎn)方法，這種強(qiáng)大的抗氧化類胡蘿卜素有望在營(yíng)養(yǎng)和制藥工業(yè)中進(jìn)一步用于人類消費(fèi)。
本研究加快了蝦青素的生長(zhǎng)速度，降低了生物合成蝦青素的污染風(fēng)險(xiǎn)。研究人員成功地利用快速生長(zhǎng)的海洋藍(lán)綠藻物種，即藍(lán)藻聚球藻屬Synechococcus sp.，PCC7002作為宿主生產(chǎn)蝦青素。這種藻類本身不能產(chǎn)生蝦青素,然而通過(guò)整合β-胡蘿卜素進(jìn)入聚球藻屬Synechococcus編碼基因,表達(dá)基因只需要水,光和二氧化碳來(lái)生產(chǎn)蝦青素。這種單階段法不需要使細(xì)胞處于應(yīng)激狀態(tài)，而且與血球菌法相比，它能在更短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)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(fēng)險(xiǎn)。
如前所述，PCC7002聚球藻屬Synechococcus sp.本身不產(chǎn)生蝦青素。因此有必要從海洋細(xì)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(dá)這些基因以生物合成蝦青素。在類似于自然光的無(wú)應(yīng)力水平下，寄主Synechococcus sp.PCC7002通過(guò)光合作用產(chǎn)生蝦青素。粉紅色蝦青素的產(chǎn)生使溶液變成深綠色。
這項(xiàng)研究被認(rèn)為是世界上第一個(gè)利用這種特殊的海洋藍(lán)藻成功生產(chǎn)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(chǎn)生3mg/g干細(xì)胞重蝦青素，生產(chǎn)速度為3.35mg/L/d。這被認(rèn)為是迄今為止使用綠藻的最高效率。
Hasunuma教授等人開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)代謝譜方法用于分析蝦青素生產(chǎn)過(guò)程中細(xì)胞內(nèi)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(chǎn)的前體代謝途徑)中的水平也增加了(圖3)。體內(nèi)碳標(biāo)記顯示，β-胡蘿卜素編碼基因的表達(dá)增強(qiáng)了中樞代謝中的碳流。
這些結(jié)果表明蝦青素生產(chǎn)細(xì)胞在初始代謝階段是活躍的。其原因被認(rèn)為是由于藍(lán)藻增強(qiáng)了其中樞代謝和非代謝途徑，以試圖補(bǔ)充用于合成蝦青素的色素，如β-胡蘿卜素。換句話說(shuō)，蝦青素的產(chǎn)生增強(qiáng)了聚球藻的中樞代謝。PCC7002用于以彌補(bǔ)捕光色素的缺乏。
希望進(jìn)一步的代謝途徑工程能夠減少潛在的瓶頸，進(jìn)一步提高蝦青素產(chǎn)量。
總的來(lái)說(shuō)，本研究表明修飾的聚球藻屬。PCC7002是通過(guò)光合作用生物生產(chǎn)蝦青素的有前途的宿主。這可以通過(guò)嘗試?yán)镁矍蛟搴铣筛鞣N其他有用的物質(zhì)來(lái)進(jìn)一步研究。PCC7002。
此外，希望在本研究中開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)代謝譜方法可以用于提高對(duì)微生物、植物和動(dòng)物代謝過(guò)程的理解
更多信息:tomohisa hasunuma等人。單階段蝦青素生產(chǎn)增強(qiáng)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(xué)(2019年)。DOI: 10.1021/acssynbio.9b00280
本文轉(zhuǎn)自：藻類生態(tài)鏈
