類胡蘿卜素是一類四萜類天然產(chǎn)物，不僅在自然界中廣泛存在，并具有多種生理功能。比如，β-胡蘿卜素是維生素 A 的前體，能夠促進(jìn)生長和保護(hù)視力；番茄紅素對心血管系統(tǒng)有保護(hù)作用，能夠降低心肌梗死風(fēng)險；蝦青素則因其強(qiáng)大的抗氧化活性，被廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖和保健品。

隨著市場對類胡蘿卜素需求的增加，傳統(tǒng)的植物提取和化學(xué)合成方法已無法滿足需求。因此，近年來，多種工業(yè)微生物已被用于高效合成類胡蘿卜素，包括大腸桿菌、釀酒酵母和解脂耶氏酵母等。其中，解脂耶氏酵母因其有著高效的脂質(zhì)積累能力和豐富的乙酰輔酶 A（類胡蘿卜素關(guān)鍵前體物質(zhì)）供應(yīng)，成為生產(chǎn)類胡蘿卜素的理想宿主。

圖 | 代表性類胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)、功能和來源

近日，南京工業(yè)大學(xué)紀(jì)曉俊等人在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上發(fā)表了一篇題為“Biotechnological Production of Carotenoids Using Yarrowia lipolytica”的綜述性文章，總結(jié)了多種利用解脂耶氏酵母生產(chǎn)類胡蘿卜素的生產(chǎn)策略，對該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用具有重要參考價值。

對于不同的類胡蘿卜素，在解脂耶氏酵母中的生產(chǎn)策略并不相同。通常情況下，乙酰輔酶 A 會在一系列酶的催化下，通過內(nèi)源 MVA 途徑逐步轉(zhuǎn)化為異戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP），這是類胡蘿卜素合成的重要前體。隨后，IPP 和 DMAPP 在 ERG20 酶和 GgPPs 酶的作用下，依次轉(zhuǎn)化為香葉基二磷酸（GPP）、法呢基二磷酸（FPP）和香葉基香葉基焦磷酸（GGPP）。

此時，GGPP 作為關(guān)鍵前體，在不同酶的催化下合成各類類胡蘿卜素。例如，番茄紅素的合成需要 GGPP 合酶（CrtE）、八氫番茄紅素合酶（CrtB）和八氫番茄紅素脫氫酶（CrtI）協(xié)同作用；β-胡蘿卜素則由番茄紅素經(jīng)相應(yīng)的環(huán)化酶催化而成；蝦青素的合成更為復(fù)雜，涉及 β-胡蘿卜素在 β-胡蘿卜素酮醇酶（Crtw）和 β-胡蘿卜素羥化酶（CrtZ）催化下，歷經(jīng)多個中間產(chǎn)物最終生成。

此外，有多種代謝工程策略可以提高解脂耶氏酵母生產(chǎn)類胡蘿卜素的效率，包括前體工程、通路工程、脂質(zhì)工程、蛋白質(zhì)工程、亞細(xì)胞區(qū)室工程、輔因子工程和形態(tài)工程等。

前體工程：乙酰輔酶 A 是解脂耶氏酵母碳代謝的中心節(jié)點，是 MVA 途徑的重要前體，而 MVA 途徑又在類胡蘿卜素的合成中起著關(guān)鍵作用。因此，增加其供應(yīng)是提高類胡蘿卜素產(chǎn)量的重要策略，研究人員通過過表達(dá) ATP- 檸檬酸裂解酶（ACL）或構(gòu)建磷酸酮醇酶-磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶（PK-PTA）途徑，可以有效增加乙酰輔酶 A 的供應(yīng)，從而提高類胡蘿卜素的產(chǎn)量。

途徑工程：類胡蘿卜素的合成途徑包括上游的 MVA 途徑和下游的異源合成途徑。通過過表達(dá) MVA 途徑中的關(guān)鍵基因（如 HMGR、IDI 和 ERG20），可以增加前體供應(yīng)，從而提高類胡蘿卜素的產(chǎn)量。

脂質(zhì)工程：由于類胡蘿卜素是疏水性化合物，主要儲存在細(xì)胞膜和脂質(zhì)細(xì)胞器中，因此調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)水平可以促進(jìn)類胡蘿卜素的積累。通過敲除 β-氧化途徑中的基因（如 POX1-6）或過表達(dá)脂質(zhì)合成相關(guān)基因（如 ACC1 和 DGA1），可以顯著提高類胡蘿卜素的產(chǎn)量。

蛋白質(zhì)工程：通過靶向突變合成途徑中的關(guān)鍵酶或酶融合技術(shù)，可以提高酶的催化效率，從而增加類胡蘿卜素的產(chǎn)量。例如，通過突變 CarRP 酶，可以解除番茄紅素對其的底物抑制，從而提高 β-胡蘿卜素的產(chǎn)量。

亞細(xì)胞器工程：通過將異源途徑的酶定位到合適的亞細(xì)胞器（如脂滴、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和過氧化物酶體）中，可以減少酶與底物之間的空間距離，從而提高類胡蘿卜素的合成效率。

輔因子工程：輔因子在酵母代謝網(wǎng)絡(luò)中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，研究人員通過增加 NADPH 的供應(yīng)，可以促進(jìn) MVA 途徑的代謝通量，從而提高類胡蘿卜素的產(chǎn)量。

形態(tài)工程：解脂耶氏酵母具有二態(tài)性，可以以酵母或菌絲形式存在。通過敲除與形態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)的基因（如 RAS2 和 MHY1），可以令其維持酵母形態(tài)，從而提高類胡蘿卜素的產(chǎn)量。

圖|多種提高類胡蘿卜素生物合成的工程策略

總之，隨著研究的不斷深入，解脂耶氏酵母生產(chǎn)類胡蘿卜素的技術(shù)日益成熟，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。脂質(zhì)代謝調(diào)控有待進(jìn)一步優(yōu)化，以更有效地促進(jìn)類胡蘿卜素積累。相信未來，研究人員將繼續(xù)挖掘解脂耶氏酵母的潛力，，有望實現(xiàn)類胡蘿卜素的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，讓這些 “黃金營養(yǎng)素”更好地造福人類。

參考文獻(xiàn)：

1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.4c11251

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