3つの典型的なテトリテルペノイド：β-カロテン、リコペン、アスタキサンチンの合成における進歩

研究背景

カロテノイドは、動物、植物、菌類、藻類によく見られる重要な天然色素の一種である典型的な四トリテルペノイドである。現在、一般的に広く使用されているカロテノイドはβ-カロテンである、リコピンそしてアスタキサンチン.分離と分析技術の発展に伴い、いくつかの新しいカロテノイド（シクロコクシニン、ダンデラクサンチンなど）も研究され、応用されている。1つは酸素を含まない炭素と水素だけのカロテノイドで、ベータカロテンやリコピンなどが含まれる。もう1つはヒドロキシル、ケトン、カルボキシルなどの酸素を含む官能基を持つカロテノイドで、ルテインやアスタキサンチンなどが含まれる。研究内容

カロテノイドは一般的に以下の方法で製造される。有機溶媒抽出法：一般的な有機溶媒はアセトン、石油エーテル、ジメチルスルホキシド、酢酸エチルなどである。しかし、抽出率が低い、純度が低い、安全性に問題があるなどの問題がある。化学合成：この方法はカロテノイドを大量生産するための主な方法の一つである。ほとんどのカロテノイドは、アセチル化、酸性化、水素化、ハロゲン化転位、ウィッティング反応などの一連の複雑な化学反応により、α-およびβ-イオン性ケトンから製造することができる。生合成：カロテノイドの生合成経路は2段階に分けられる。第1段階は、カロテノイドの一般的な前駆体であるイソプレンを炭素源から合成する段階であり、第2段階は下流のカロテノイドを合成する段階である。異なるカロテンの合成は、異なる酵素の影響を受ける。第一段階では、微生物は炭素源をCoA、ピルビン酸、グリセルアルデヒド3-リン酸などの中間体に変換し、メバロネート経路（MVA）、4-ホスホ-メチルエリスリトール（MEP）経路、または人工イソペンテノール（IUP）利用経路を経て、前駆体イソプレンに変換する。

カロテノイドの生産モデルで選択されたシャーシ株には、Escherichia coli、Saccharomyces cerevisiaeなどがある。大腸菌は、遺伝子ツールが成熟しており、培養が容易であるため、産業バイオテクノロジーの分野で最も一般的に使用されているシャーシ微生物である。例えば、大腸菌は体内に天然のMEP経路を持っており、カロテノイド遺伝子を導入するだけで異種カロテノイド生合成を実現できる。例えば、エルビニア菌のカロテン遺伝子を合成オペロンで過剰発現させた後、β-カロテンを生産する形態の大腸菌を遺伝子工学的に構築した。この組み換え菌は、最終的に50L発酵槽25で390mg/lのβ-カロテンを生産した。前駆体IPPの合成を増加させるためにMVA経路全体を導入し、バッチ培養を行うことで、工学的大腸菌におけるβ-カロテンの最大収量は663mg/Lに達した。DH416株では、リコピンレベルは1.22g/Lに達し、平均収量は61.0mg/L-h-1であった。大腸菌FA03-PMにおいて、メバロン酸とリコピンの合成経路が確立された。フェドバッチ発酵により、リコピン含量は94mg/gに達し、これは代謝改変大腸菌でこれまでに報告された最高レベルである。大腸菌CAR026を出発株としてアスタキサンチンを生産する場合、組換え株Gro-46は、摂食条件下で1.18g/Lのアスタキサンチンを生産し、これまでの大腸菌の中で最高のアスタキサンチン生産量を示した。サッカロマイセス・セレビシエには完全なカロテノイド代謝経路がないため、異種のカロテノイド遺伝子を導入している。例えば、紅麹菌のCRT遺伝子をサッカロマイセス・セレビシエINVSc1に導入した後、組換えサッカロマイセス・セレビシエINVSc1を20℃で過剰発現させると、β-カロテン量が528.8μg/gに増加した。不飽和脂肪酸は細胞膜の流動性と貯蔵スペースを改善し、カロテノイドの生産を増加させる。60mg/Lのオレイン酸またはパルミトレイン酸を補給すると、β-カロテン含量がそれぞれ83.7%および130.2%増加した。リコピンの生産に関しては、異なる供給源のリコピン合成酵素を最適化することにより、サッカロマイセス・セレビシエは最大3.28g/Lのリコピンを生産することができる。サッカロマイセス・セレビシエの温度感受性(TS)表現型を持つGal4変異体は、野生型Gal4と比較して、2段階発酵により44%より多くのバイオマスと177%より多くのリコピンを蓄積した。同時に、アスタキサンチン生産トランスジェニックSaccharomyces cerevisiaeに温度応答制御系を導入し、アスタキサンチン生産と細胞増殖を分離した。最終的に、2段階高密度発酵により235mg/Lのアスタキサンチンを生産した。

合成生物学、タンパク質工学、代謝工学、発酵工学の急速な発展に伴い、合成微生物は天然物の大量生産に新たな選択肢を提供することは間違いない。現在のところ、合成微生物共培養システムは、分業による代謝産物、特に代謝経路の長い代謝産物を合成するように完全に設計されている。したがって、合理的な微生物共培養システムを設計し、カロテノイド生成物合成経路をモジュール化することで、単一細胞の代謝圧を効果的に低減し、代謝エネルギーバランスを達成することができる。

カロテノイドが食品や医薬品に広く使用されているため、天然カロテノイドの需要も増加する。天然資源からカロテノイドを直接抽出することは、消費者のニーズを満たすには程遠い。したがって、微生物発酵による天然カロテノイドの合成は、大量生産への道を開くものである。

著者南京理工大学、薛欣風、張文明

ジャーナルバイオテクノロジー・アドヴァンス

年：2022年

DOI:doi.org/10.1016/J.BIOTECHADV.2022.108033

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