植物β-胡萝卜素羟化酶研究进展

-β胡萝卜素羟化酶是植物类胡萝卜素合成代谢中的关键酶,它催化了植物中β-胡萝卜素经中间产物β-隐黄素合成玉米黄素的过程。β-胡萝卜素羟化酶广泛存在于植物、蓝藻和细菌等生物中,其基因在植物中成对出现,在原核生物中则处于基因簇内。该酶是一种非血红素双铁单加氧酶,分子中有富含组氨酸的模体。多种生物的β-羟化酶基因已被克隆并分别在细菌、蓝藻或植物中表达。玉米黄素能帮助植物抵御胁迫环境,β-隐黄素对癌症等人类疾病有抑制作用。采用基因工程手段改造β-羟化酶基因,将为培养高抗逆性作物和大规模生产β-隐黄素提供新途径。     

天然β-胡萝卜素发酵法研究进展

β-胡萝卜素在食品、医药、化妆品等领域有着广泛的应用。目前β-胡萝卜素合成主要有化学合成、微生物发酵两种方法。本文重点对发酵法制备β-胡萝卜素所用的菌种及相关工艺进行了介绍。     

代谢工程改造酿酒酵母生产β-胡萝卜素

β-胡萝卜素在食品、药品和化妆品领域有广泛用途。为获得生产β-胡萝卜素的微生物细胞工厂,本研究首先在酿酒酵母BY4742中过表达甲羟戊酸(MVA)途径的限速酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)基因及二萜化合物合成的关键酶牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶(GGPS)基因,来提高牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(GGPP)的供给。在酿酒酵母底盘菌BY4742-T2的基础上整合来源于成团泛菌和红法夫酵母的β-胡萝卜素合成基因,比较酿酒酵母工程菌生产β-胡萝卜素的差别。结果表明提高酿酒酵母中HMGR和GGPS酶基因的表达能将工程菌中β-胡萝卜素的产量提高26.0倍。另外,来源于真核生物红法夫酵母的合成基因相比成团泛菌,更有利于酿酒酵母生产β-胡萝卜素。最终获得的酿酒酵母工程菌BW02能生产1.56 mg/g细胞干重的β-胡萝卜素,为进一步获得高产β-胡萝卜素细胞工厂提供基础。     

研究设计益生菌生产β-胡萝卜素

正2021年4月12日ACS Synthetic Biology报道,北卡罗来纳州立大学研究者对一种益生菌酵母进行了基因改造,使其在无菌小鼠肠道中产生β-胡萝卜素。该研究提供了一套利用基因工具来修饰益生菌酵母进行生产的全部流程。布拉酵母菌(Saccharomyces boulardii)是一种益生菌酵母,可以耐受胃酸,并且可以在哺乳动物肠道中存活和繁殖,并且抑制有害细菌引起肠道感染。该益生菌还易于转化,可以在肠道中产生溶菌酶、IL-10等治疗性蛋白质。     

β-胡萝卜素合成的代谢工程研究进展

β-胡萝卜素是自然界中最重要的商业化生产的植物色素之一,具有多种生理功能和生物活性。自上世纪60年代开始,随着系统生物学概念的提出以及对类胡萝卜素合成途径研究的不断深入,系统代谢工程在提高类胡萝卜素产量方面发挥了重要作用。文中在介绍β-胡萝卜素传统生产方法的基础上,重点介绍了如何运用系统代谢工程手段构建β-胡萝卜素高产菌株,并分析了进一步提高工程菌β-胡萝卜素产量所面临的主要问题及可能的解决方案,为β-胡萝卜素的高效生产提供了思路。     

RBS文库调控重组大肠杆菌β-胡萝卜素合成途径关键基因提高β-胡萝卜素合成能力

β-胡萝卜素属于类胡萝卜素家族的一员,在药品、保健品、化妆品和食品行业有广泛的应用。本研究通过用RBS文库对重组大肠杆菌CAR005中β-胡萝卜素合成途径的关键基因dxs、idi和crt操纵子进行调控来提高β-胡萝卜素合成能力。研究发现3个基因分别用RBS文库调控后,与起始菌株相比β-胡萝卜素产量最高分别有7%、11%和17%的提高,表明使用RBS文库调控比使用多个固定强度启动子调控能筛选到更有利于目标产品合成的基因表达强度。三基因组合调控后,β-胡萝卜素产量相对于CAR005菌株提高了35%。同时发现,单基因文库筛选到的最优强度对于组合调控来说,未必是最优强度。本研究为利用基因表达调控优化目标产物合成途径提供了一种新的方案。     

喷雾干燥β-胡萝卜素微胶囊化工艺研究

β-胡萝卜素是所有类胡萝卜素中含量最多、生物活性最大和研究最多的一种。但它极不稳定,易氧化变质而失去生理活性。本文采用微胶囊技术,选用明胶与蔗糖作为复合壁材,对β-胡萝卜素进行喷雾干燥微胶囊化,探讨其主要工艺参数。通过单因素分析、正交实验等得出了最佳工艺条件为壁材中明胶与蔗糖的比例为3：17,喷雾干燥进风温度190℃,喷雾压力0．1MP,进料速度为5mL/min.     

β-胡萝卜素的生物合成与发酵促进剂

本文论述了β－胡萝卜素的生物合成途径及某些发酵助剂对微生物产β－胡萝卜素的影响。据对甘些植物和真菌产生β－胡萝卜素的研究,认为β－胡萝卜素及相关类胡萝卜素是一类自己酰ＣＯＡ开始的次生代谢产物。通过大量的研究实例表明,添加合适的发酵促进剂是提高β－胡萝卜素产量和降低生产成本非常有效的工艺学途径。     

植物β-胡萝卜素羟化酶的生物信息学分析

采用生物信息学方法对GenBank中的拟南芥、玉米、龙胆、福寿草和水仙等植物β-胡萝卜素羟化酶(BCH)的核苷酸和氨基酸序列进行了比对分析,进而对其组成成分、理化性质、信号肽、亚细胞定位、疏水性/亲水性、跨膜结构域、功能结构域、基序及蛋白质二级结构等重要参数进行了预测和分析。结果表明,BCH基因全长约为1256bp,具有完整的开放阅读框,长约为943bp,编码313个氨基酸,分子量为34.82kD,理论等电点为9.18,含量最丰富的氨基酸都包含Ala(10.34%)、Leu(8.7%)和Gly(8.1%);无信号肽,定位于叶绿体中的亲水性不稳定蛋白,含有3-4个跨膜结构域,一个功能结构域,二级结构均以α-螺旋和无规则卷曲为主要构件。     

通过转基因提高β-胡萝卜素生物合成量

在黄花龙胆 (Getianalutea)花瓣中获得了植物类胡萝卜素生物合成途径中的 5个基因GGPS、PSY、ZDS、LycB、LycE ,它们分别位于类胡萝卜素合成途径中生成α 和 β 胡萝卜素的上游 .将其中的主要酶基因PSY、ZDS与 35S启动子和NOS终止子相连 ,通过根癌农杆菌 (Agrobacteriumtumefaciens)转入烟草 ,并通过RT PCR ,Northern分子杂交 ,Western分子杂交等证实这些基因在RNA、蛋白质水平能较好转录及表达 .高效液相层析法分析显示 ,这些基因的翻译产物具有酶的活性 .结果表明 ,PSY可使 β 胡萝卜素含量提高 1 0 8% .     

产β-胡萝卜素酿酒酵母工程菌的构建

以酿酒酵母SaccharomycescereviaiaeBY4742为宿主菌,利用DNA组装（DNAassemble）技术,向宿主菌导入了β-胡萝卜素合成途径,表达了源自Xanthophyllomycesdendrorhous的CrtE,Cn馏和CrtI3个基因,获得了一株染色体整合型工程菌株HCCB08531,β-胡萝卜素产量达3．68mg／g干重。     

真菌降解β-胡萝卜素的产香研究

从采自云南红河的31份烟草样品中分离筛选到5株可降解β-胡萝卜素的真菌,结合菌株形态及ITS序列分析对菌株进行分类鉴定。初步鉴定菌株YNCA9801为产黄青霉(Penicillium chrysogenum),YNCA9802为黄柄曲霉(Aspergillus flavipes),YNCA9803为枝孢霉(Cladosporium lignicola),YNCA9804为米曲霉(Aspergillus oryzae),YNCA9807为橘青霉(Penicillium citrinum)。菌株YNCA9804降解β-胡萝卜素可获得具果香味的发酵产物,样品通过GC-MS分析,发酵产物含有2-庚醇、2-壬酮和二氢猕猴桃内酯的致香物质。     

β-胡萝卜素羟化酶基因过度表达提高拟南芥抗逆性

强光逆境诱导植物组织活性氧的产生和积累 ,导致细胞光氧化破坏 ,存在于膜中的类胡萝卜素则可保护植物组织免受这种破坏。叶黄素循环在强光保护中起着关键作用 ,该循环包含玉米黄质、环氧玉米黄质和堇菜黄素三种类胡萝卜素之间的可逆性互变 ,玉米黄质在玉米黄质环氧酶作用下经环氧玉米黄质转化为堇菜黄素 ,而堇菜黄素在堇菜黄素脱环氧酶催化下经环氧玉米黄质转化为玉米黄质。堇菜黄素在新黄质合酶催化下不可逆转变成新黄质。玉米黄质是在β 胡萝卜素羟化酶催化下由β 胡萝卜素经β 隐黄质转化而来 ,拟南芥该基因在 1 996年首见报道。近日 ,…     

β胡萝卜素基因的克隆

以色列Hebrew大学的研究组从一种分裂藻类中分离出编码八氢番茄红素不饱和化酶的基因(pds基因),并成功地克隆和定序.八氢番茄红素不饱和化酶是控制β胡萝卜素生物合成的酶.如果扩增植物中的pds基因,就有可能使β胡萝卜素(作食品添加剂)的产量提高.β胡萝卜素是维生素A的前体,可作抗氧化剂及着色剂使用.将pds基因导入后,可使果实提早着色,所以能获得上市时间长的果实. 利用pds基因,还可以开发对某些抑制八氢番茄红素不饱和化酶的除草剂有抗性的作物.实际上,目前已获得几株抗这种除草剂的变异株.     

高产β-胡萝卜素酿酒酵母菌株的设计与构建

酿酒酵母是一种重要的食品安全的工业微生物宿主。如何精确地控制代谢路径中相关基因的表达强度,是在酿酒酵母体内合成β-胡萝卜素的关键因素。通过在Delta位点整合红发夫酵母来源的β-胡萝卜素合成基因(crt E、crt I、crt YB),构建β-胡萝卜素生产菌库。从中挑选28株颜色较黄的菌株,通过96孔细胞培养板及摇瓶发酵,发现这些菌株β-胡萝卜素产量存在显著差异(产量从5.70mg/L到61.88mg/L动态分布)。然后以其中β-胡萝卜素产量最高的菌为出发菌(Sy BE_Sc118012),在敲除该菌株内源基因ypl062w的同时,在此位点过表达t HMG1和BTS1-ERG20融合蛋白以增加前体供应,最终使β-胡萝卜素的产量提高1.65倍,达到162.1mg/L,是目前已知的摇瓶水平最高发酵产量。因此,通过Delta位点整合和增加前体供应结合的策略来强化酿酒酵母中的异源表达具有重要的指导意义。     

小麦β-胡萝卜素异构酶基因定位克隆及表达分析

β-胡萝卜素异构酶(D27)是独脚金内酯(SLs)合成通路的第一个酶。该研究以普通小麦‘中国春’为材料,通过RT-PCR克隆了小麦β-胡萝卜素异构酶对应cDNA(TaD27),并对其在不同组织和低磷胁迫下的表达进行分析。结果显示:(1)克隆获得2个高度同源cDNA片段,分别定位于7A、7D染色体的长臂,命名为TaD27-7AL和TaD27-7 DL;序列分析发现,7B染色体长臂上还存在另一个同源基因TaD27-7BL。(2)3个TaD27基因均包含7个外显子,编码区长度分别为828bp(7AL)、840bp(7BL)和843bp(7DL),编码蛋白的N-端均含有叶绿体转运肽;进化分析表明,植物D27蛋白主要聚集在3个进化枝中,小麦、水稻和玉米等单子叶植物的D27高度同源,聚集在同一进化分枝。(3)组织表达分析表明,TaD27基因在叶、叶鞘和茎中的表达量较高,在幼穗中的表达量相对较低,在根中的表达量最低;低磷胁迫下,TaD27在根中的表达量先下降后升高,胁迫至6~12h时,表达量达到最低,96h时基本恢复至初始状态,而在叶中表达量则是先升高后下降,6h达到峰值,12h基本恢复到初始水平,随后表达量继续下降。     

动物体内可自制胡萝卜素

动物体中需要保护视觉和皮肤健康、促进骨骼生长和维持其他重要生理机能的多种物质,胡萝卜素是构成这些物质的基础。常见的蔬菜胡萝卜内含有大量的β-胡萝卜素,它是让胡萝卜自身呈桔黄色的原因,也是构成维生素A的基础。     

代谢工程改造甘油代谢途径提高β-胡萝卜素产量

甘油是生物柴油的副产物,因其价格低廉和高还原性,成为生物发酵的重要碳源。为了进一步提高工程菌对甘油的利用能力,从而提高萜类化合物的合成能力,本研究从β-胡萝卜素高产菌CAR015出发,对其甘油代谢途径的多个基因进行了调控。首先敲除了编码3-磷酸甘油抑制子的glp R基因,然后分别用M1-37、M1-46和M1-93三个不同强度的人工调控元件对glp FK、glp D和tpi A三组基因进行单基因调控和多基因组合调控。研究发现用M1-46调控glp D基因后β-胡萝卜素产量达到了64.82 mg/L,是CAR015的4.86倍,甘油消耗速率也提高了100%;调控tpi A基因后β-胡萝卜素产量略有提高;调控glp FK基因后β-胡萝卜素产量略有降低。说明Glp D是甘油代谢途径中的关键限速步骤。Q-PCR结果表明,降低甘油代谢途径的glp D和glp FK基因转录水平,增加tpi A基因转录水平,可以增加细胞生长速度、提高β-胡萝卜素产量,可能是因为减少了丙酮醛毒性所致。组合调控glp D和tpi A基因,获得β-胡萝卜素产量最高菌株Gly003,其β-胡萝卜素产量达72.45 mg/L、产率达18.65 mg/g每克干细胞,分别是出发菌株CAR015的5.23倍和1.99倍。总之,Glp D是甘油代谢途径中的关键限速步骤,适当强度调控glp D,可以有效提高重组大肠杆菌的β-胡萝卜素产量。     

螺旋藻中β-胡萝卜素高效液相色谱测定方法的研究

采用高效液相色谱法直接测定螺旋藻中β-胡萝卜素组分的含量.色谱柱为YMC-pack ODS(4.6mm i.dx 150 mm,5μm),流动相为甲醇-乙腈-二氯甲烷(体积比60:30:10),在435nm波长处检测.研究结果表明:β-胡萝卜素的检测限为20ng,线性范围在4.60～36.80 mg/L,相关系数为0.9996,加样平均回收率为96.61%.方法准确、简便、快速,适用于螺旋藻及螺旋藻制品中β-胡萝卜素组分的检测.     

通过番茄红素环化酶的优化构建β-胡萝卜素高产菌株

目标产物的合成途径往往需要对关键酶的来源、表达水平等因素进行系统性优化才能实现代谢通量的最大化。β-胡萝卜素是一类具有重要应用价值的萜类化合物,其中番茄红素环化酶(Lycopene cyclase,CrtY)是β-胡萝卜素合成途径中的关键酶,能够催化FAD依赖的环化反应将番茄红素转化合成β-胡萝卜素。本研究通过对CrtY的系统优化提高β-胡萝卜素的合成水平,并确定CrtY的表达对代谢通路的影响。在大肠杆菌中以番茄红素合成模块为基础,通过引入番茄红素环化酶基因crt Y构建了β-胡萝卜素合成模块。并进一步利用寡聚接头介导的DNA组装方法 (Oligo-linker mediated assembly method,OLMA)引入一系列不同强度的人工设计的核糖体结合位点(Ribosome-binding site,RBS),对CrtY的表达强度、基因来源等因素进行高通量的优化。通过OLMA文库构建和平板筛选,获得了5株高产β-胡萝卜素的工程菌株。在摇瓶中,5株工程菌株的β-胡萝卜素产量可达15.79-18.90 mg/g DCW(Dry cell weight),比优化前提高了65%。进一步选取了其中的CP12菌株,在5 L发酵罐上,利用高密度培养技术验证工程菌株合成β-胡萝卜素的能力。最终β-胡萝卜素产量可达1.9 g/L。RBS强度分析及代谢中间体分析表明,适当地降低CrtY表达强度能够有利于β-胡萝卜素模块相关基因之间协同发挥作用。以上结果为β-胡萝卜素合成途径的优化规律提供了理论指导。