합성 아스타잔틴을 얻는 방법은?

아스타잔틴 (Astaxanthin, C40H52O4)은 케토형 카로티노이드이며 화학명은 3,3&이다#39;-dihydroxy-4, 4'-dione-beta, beta'-carotene.화학구조는 그림 1과 같다:4개의 아이소프렌 단위가 공액이중결합으로 연결되어 있고, 각 끝에는 2개의 아이소프렌 단위가 6개의 멤버링 고리를 형성한다.

아스타잔틴은 3개의 광학 이성질체를 가지고 있다.세 가지 광학 이성질체의 차이는 올 트랜스 아스타잔틴 입체 이성질체 중에서 라세믹계 아스타잔틴의 항산화 활성이 가장 낮고, 덱스트로로테이토계 아스타잔틴이 활성산소를 제거하는 능력이 가장 강하며, 레보로테이토계 아스타잔틴이 지질과산화 억제효과와 면역활성에 더 강하다 [1-2].아스타잔틴은 항산화 활성 외에도 항암, 항염증, 항당뇨 효과 [3] 등 다양한 효과가 있다.또한, astaxanthin은 혈액 뇌 및 혈액 망막 장벽을 침투 할 수있는 유일한 카로티노이드이며 중추 신경계와 뇌 기능에 긍정적인 영향을 줍니다.따라서 아스타잔틴은 식품, 의료, 화장품, 사료 첨가제 [4] 등에 널리 사용된다.

천연 astaxanthin은 주로 자유 및 에스테르화 astaxanthin의 형태로 해양 환경에서 발견된다.무료 astaxanthin은 불안정하고 쉽게 산화됩니다다.말단 순환 구조에 히드록시기가 존재하기 때문에 아스타잔틴은 지방산과 쉽게 결합하여 아스타잔틴 에스테르를 형성하고 안정적으로 존재한다.헤마토코쿠스 플루비알리스 (Haematococcus pluvialis)의 아스타잔틴 분자의 약 95%는 지방산과 에스테르화 되어 트리아실글리세롤 [5]이 풍부한 세포질 지질체에 저장된다.

에스테르화 아스타잔틴은 결합되어 있는 지방산에 따라 아스타잔틴 모노에스테르와 아스타잔틴 디에스테르로 나뉜다.H.pluvialis는 astaxanthin(건조중량)을 4%까지 축적할 수 있으며, HOLTIN 등 [6]은 강한 빛의 스트레스로 축적된 astaxanthin의 95% 가 지방산과 에스테르화 되어 있음을 발견하였다.생물에서 아스타잔틴과 지방산의 상호작용 기작은 아직 불분명하지만, 아스타잔틴과 지방산 생합성의 stoichiometry는 H. pluvialis에서 관찰되었다.Chen 등 7명은 H. pluvialis에서 astaxanthin과 지방산의 두 생합성 경로 사이의 조정 메커니즘을 분석하였다 아스타잔틴과 지방산의 두 생합성 경로 사이의 협응 메커니즘을 규명하고,이 상호작용이 전사 수준이 아닌 대사체 수준에서 일어난다는 것을 밝혔다.In vivo와 In vitro 실험에서 astaxanthin의 에스테르화가 그 형성과 축적을 촉진한다는 것을 보여주었다.

현재 국내외에서 아스타잔틴을 제조하는 방법은 크게 화학적 합성과 생합성 두 가지로 나눌 수 있다.화학적으로 합성된 아스타잔틴은 세 가지 구조 [5,8] (l-:racemic:d-1:2:1)의 혼합물이며, 주로 공업용 염료로 사용된다.다만, 식품과 의약품 분야에서는 사용이 금지된다.생합성한 아스타잔틴은 식품과 제약 분야에서 사용이 허용된다.일부 미세조류, 곰팡이, 박테리아 및 특정 식물 종은 자연에서 아스타잔틴을 합성하는 능력을 가지고 있습니다.

H. 플루비알리스는 자연계에서 가장 유망한 아스타잔틴 생산지 중 하나로 여겨진다.최근에는 Thraustochytrium 속의 많은 균주들도 아스타잔틴을 합성하는 능력이 있다는 것이 밝혀졌으며 [9], 합성 레보-아스타잔틴이 전체 아스타잔틴의 90% 이상을 차지한다.이전 연구자들은 아스타잔틴 [10]의 화학적 합성 방법과 경로를 검토하고 천연 아스타잔틴 생산업체들의 현재 생산 수준을 개괄했다 [11].본 고찰에서는 astaxanth에서생합성과 여러 생물에 있어서 astaxanthin의 insul에서경로에 대한 고찰을 바탕으로 화학합성 경로와 생합성에 초점을 맞추어 고찰하고자 한다.이 글은 독자들에게 아스타잔틴 생합성에 대한 거시적 수준의 개요를 제공하고 아스타잔틴 합성 방법에 대한 연구 진전을 빠르게 이해할 수 있도록 돕는 것을 목표로 합니다.

아스타잔틴의 화학 합성 1

아스타잔틴의 화학적 합성은 총합성과 반합성으로 나눌 수 있다.아스타잔틴의 총 합성은 화학 원료를 출발 물질로 사용하여 화학 합성 반응을 통해 아스타잔틴을 얻는다.반합성은 canthaxanthin, lute에서및 zeaxanthin과 같은 카로티노이드를 출발 물질로 사용하여 astaxanthin을 준비합니다.

아스타잔틴의 화학총합성 1.1

국내외에서는 화학총량에 대한 일련의 연구들이 진행되고있다astaxanthin의 합성 경로다.astaxanthin의 화학 합성에 있어 두 개의 주요 기업은 Hoffmann-L한Roche와 BASF이다.두 회사는 비슷한 합성 경로를 이용해 C9 + C6 → C15, 2C15 + C10 → C40 경로를 이용해 화학적 합성을 통해 아스타잔틴을 생산한다.호프만-라로슈는 6-옥소-이소프탈론을 원료로 사용한다 [12].첫째, 아세 톤과 포름 알데히드은 생성하는 데 사용 되는 α-β 불포화 butenone hydroformylati에응축과 약 한 알칼리성 조건에서 탈수 합니다.에 의해그런 다음, 1, 2 친핵성을 첨가하여 황산의 작용으로 재배열되는 6 탄소의 3차 알코올을 형성한다.제품의 히드록시기 그룹은 6-oxoisophthalone과 반응하도록 보호되며, 마지막으로 astaxanthin을 합성하기 위해 강한 염기의 작용으로 양측 Wittig 반응이 일어난다.

BASF [13-14]의 합성 경로에서 중간체 6-탄소-1-이네-3-올은 먼저 산성화되어 재배열되지 않지만, 히드록시기 그룹이 보호되고 6-옥소 이소 프탈론과의 일련의 변환을 거치며, 변환 중에 재배열이 일어나고, 최종 목표 생성물 아스타잔틴이 얻어진다.중국의 연구자 파이칭 등이 사용한 아스타잔틴의 합성 경로 [10]는 외국 합성 경로와는 다르다.아스타잔틴을 준비하기 위해 합성 경로 C13 + C2 → C15, 2C15 + C10 → C40을 사용한다.그 가 사용하는 α-ionone, 원료 로서는 m-chloroperoxybenzoic 산으로 다루어 지고, 일련의 중간 변환,를 겪은 화가 된 및 재조정 작업 hydrobromic 산의 세 미만, 그리고 반응을 만들기 위해 triphenylphosphine pentadecyl triphenylphosphonium 소금, 그리고 마침내 이원를 겪 형태 astaxanthinWittig 반응을 보이고 있다.파이 칭 핑 등 [10]의 합성 경로의 독특한 특징은 주요 중간체 C15 화합물을 합성하기 위해 새로운 방법을 사용한다는 것입니다.이 방법의 출발 물질은 얻기 쉽고, 반응은 높은 선택성을 가지며, 전체 수율이 높습니다.

Witting 반응은 astaxanthin의 총 합성 경로의 특징적인 반응이다.이러한 유형의 합성 경로는 간단한 기술과 저렴한 비용의 장점을 가지고 있습니다.Hoffmann-L한Roche와 BASF의 두 경로의 공정이 매우 복잡하지만 생산 공정이 길고 중간 공정의 제어가 어렵고 엄격하지만 합성 비용이 저렴하고 가격이 저렴하며 산업 생산이 실현되었습니다.시장에 공급되는 astaxanthin의 주요 산업원입니다 (그림 2).

1.2 아스타잔틴의 화학적 반합성

반합성은 아스타잔틴 [15]을 준비하기 위해 칸타잔틴, 루테인, 제아잔틴 등의 카로티노이드를 원료로 사용하는 방법이다.고전적인 방법은 루테인을 출발 물질로 사용하며, 루테인은 알칼리에 의해 촉매되어 이성질화 반응을 거쳐 제아잔틴을 생성합니다.1,2-프로판디올을 용매로 사용하고 수산화칼륨을 촉매로 사용하여 168시간 동안 110 °C에서 반응을 수행하였으며, 요오드와 브롬산 나트륨의 작용으로 제아잔틴이 아스타잔틴으로 직접 산화되었다.

canthaxanthin을 원료로 사용할 때, alkalization, silylation, epoxidation, hydrolysis의 4가지 과정을 거쳐 astaxanthin이 합성된다.빠른 합성과 높은 수율 (약 60% 수율)이 특징이다.canthaxanthin의 높은 비용과 생산 과정에서의 특정 위험 때문에 현재 대규모 산업 생산을 달성하기는 어렵습니다.전체 합성 방법과 비교하여 반합성 방법은 생물학적 활성은 높지만 수율이 낮고, 대규모 생산이 어렵다 (그림 3).

astaxanthin의 생합성 2

2.1 아스타잔틴 대사경로

아스타잔틴은 C40 카로티노이드 대사의 최종 산물이다.생물체에서의 카로티노이드 합성은 세 단계로 나눌 수 있는데, 첫 번째는 중심탄소대사이고, 두 번째는 카로티노이드 전구물질인 isopentenyldi인산(IPP)와 dimethylallyl diphosphate (DAMPP)의 합성이며, 세 번째는 카로티노이드 합성이다.

첫 번째 단계는 중앙 탄소 대사 주기이다.생물은 포도당, 과당 및 다른 탄소원을 사용하여 글리세롤-3-인산염 (G3P), 피루브산 및 아세틸-coa와 같은 물질을 해당 경로를 통해 합성한다.글리세롤-3인산, 피루브산 및 아세틸-coa는 IPP 및 DAMPP의 전구체로서 다음 단계로 흘러든다.동시에 일부 아세틸-coa는 트리카르복실산 순환 (TCA)으로 들어간다.트리카르복실산 순환은 3대 영양소 (당, 지질, 아미노산)의 최종 대사 경로이며 당, 지질, 아미노산의 대사를 연결하는 허브이기도하다.트리카르복실산 사이클은 세포 대사의 모든 방향으로 흐르는 다양한 대사 산물을 합성합니다.동시에, 트리카르복실산 순환은 또한 많은 양의 아데노신 삼인산 (ATP)과 환원된 코엔자임 I나는(NADPH)를 생성하며, 이는 후자의 두 단계에서 물질의 변환을 위한 에너지와 환원력을 제공한다.

두 번째 단계는 카로티노이드의 전구체인 IPP와 DAMPP의 합성이다.IPP와 DAMPP의 합성을위한 두 가지 천연 합성 경로가 있습니다:methyl-D-erythritol-4-phosphate (MEP) 경로와 mevalonate (MVA) 경로.MV한경로는 주로 진핵생물과 고세균에서 발견되며, 고세균, 효모, 일부 그람 양성 세균 [16]에서 IPP 가 형성되는 유일한 경로이다.유럽의회 의원경로는 식물, 조류, 대부분의 박테리아에서 발견된다.이러한 식물과 조류는 세포질의 영국 측경로와 가소물의 MEP 경로를 통해 IPP를 생산할 수 있다 [17-18].20세기 말까지 MVA는 카로티노이드를 포함한 테르페노이드의 합성을 위한 이소펜테닐 이인산염 전구체의 유일한 공급원으로 간주되었다.MV한경로에서 아실기 coa는 히드록시메틸 트리메틸 펜타노일 코엔자임 조엔자임 (HMG-CoA)으로 전환된다.HMG-Co한환원효소에 의해 methyl-D-malonyl-D-glutaronate로 전환되고, 일련의 인산화 반응을 통해 methyl-D-malonyl-D-glutaronate는 IPP로 전환된다.

MEP 경로에서 글리세롤 삼인산과 피루브산의 분자는 응축 및 이성질화 반응을 거쳐 MEP를 형성한다.MEP 가 사이티딘 삼인산과 결합한 후, 일련의 인산화 반응을 수행하여 IPP를 형성하고, IPP는 이성질화하여 이성질체 DAMPP 이성질화를 생성하여 이성질체 DAMPP를 생성한다.초기 연구에 따르면 MVA 경로는 많은 녹조류와 홍조류에서 소실되었으며, MEP 경로는 헤마토코쿠스 플루비알리스 (Haematococcus pluvialis)에서 IPP 합성을 위한 유일한 경로이다 [19].연구가 계속 심화됨에 따라, MEP 경로가 IPP 합성을 위한 유일한 경로인 현상이 녹조류 세포에서 흔할 수 있다는 여러 결과가 나왔다 [20].

그러나 MEP 경로 유전자의 대부분은 Aurantiochytriumsp다.SK4의 전사체 데이터에서 발견되지 않았으며, mevalonate (MVA) 경로는 Aurantiochytrium sp다.SK4세포의 IPP 형성에 관여하였다 [21].또한, Henryet알다.[22]은 세포솔릭 이소펜테닐 인산염 키나아제에 의해 촉매되는 식물에서 세 번째 경로를 발견했다.이 MVA 경로는 일부 고세균과 MVAP를 형성하는 과정에서 박테리아의 엽록소문 (Chlorophyt한phylum)에서 발견되는 다른 MVA 경로와 같다.박테리아의 MVAP는 phosphomethylpentenate decarboxylase (MPD)에 의해 isopentenyl phosphate (IP)로 전환되고, isopentenyl monophosphate kinase (IPK)에 의해 IPP로 인산화된다는 차이점이 있다.MVA 경로와 MEP 경로 모두 식물에 존재하지만, MEP 경로는 식물의 카로티노이드 전구물질의 주요 공급원이다 [23].

세 번째 단계는 카로티노이드 유사 물질의 합성이다.DAMPP와 IPP는 pyrophosphate synthase (CrtE)의 작용으로 farnesyl diphosphate (FPP)를 형성하여 1:3의 비율로 합성된다.그런 다음 FPP는 피로인산염 합성 효소에 의해 전환되어 제라닐 제라닐 피로인산염 (GGPP)을 형성합니다. GGPP은 octahydro-lycopene에 의해 축약 된 synthase (CrtB)와 phytoene desaturase (CrtI) 리코 펜을 형성 하기 위해, β로 합성 되어 있는 리코 펜에 의해-carotene cyclase (CrtY)이다.세 번 째 단계, astaxanthin합성, 서로 다른 유기체에서 합성 경로에서 다르지만의는 주로 hydroxylation에 의해 생산 되고 가 매우 형성 β-carotene다.

파피아 로도지마 (Phaffiarhodozyma) 에서는 시토크크롬 P450 효소 [24]에 의해 아스타잔틴이 제아잔틴으로부터 합성된다.박테리아와 조류에서, 그것은 주로 β에 의해 합성-carotene hydroxylase (CrtZ)와 β-carotene ketolase (CrtW또는 BKT)다.옥수수 xanthophyll에서 변환은 β는 특정 효소의 작용에 의해-cryptoxanth에서β-carotene hydroxylase다.ketene와 4-ketone 단체들은 β의-carotene 의해 canthaxanthin로 전환 된 β-carotene ketolase, 그리고 canthaxanthin은 astaxanthin으로 개종을 통해 phycoerythr에서(astaxanthinamide)이다.

β의 행동의 순서를 다른 종에서,-carotene hydroxylase와 β-carotene ketolase의 촉매 변환에서 β-carotene astaxanthin하는 것은 다르다.리우는 etal다. [25] 사용 표현 이종 Haematococcus pluvialis β-carotene ketolase Synechocystis sp에서다. PCC6803), 류 et알다.astaxanthin가 처음 합성 되었다는 것을 발견의 콘 텐 츠 Synechocystis 세포에 재직 했고 (4.81 ± 0. 06) mg/g 드라이 셀 무게 (DCW)이다.In vitro 실험 [26~27] 또한 Haematococcus pluvialis에서 astaxanthin합성의 최적 경로는 케톨라제 효소의 촉매 반응이며, 히드록실라제 효소의 히드록실화 반응임을 추가로 확인하였다 (그림 4).

2.2세균은 아스타잔틴을 합성한다

Astaxanthin은 그람양성균인 Brevundimon로sp.와 그람음성균인 Sphingomon로sp., Par acoccus haeundaensis), Methylomonassp., Altererythrobacter ishigakiensis 등 여러 종류의 세균에서 발견되었다 (Table 1).

일부 세균에서 astaxanth에서생합성을 위한 전구물질의 존재와 astaxanth에서생합성 경로에서 다수의 주요 유전자의 규명을 통해 고생산성 조작astaxanthin생산 균주를 제작할 수 있게 되었다.노를 전송 함 으로써 그것이 발견 되었드 유전자 crtW,crtZ,crtY,crtI, crtB 그리고에서 crtE 해양 박테리아 Pseudoalteromon로luteoviolace한대장균으로, 한 생산하는 조작 된 대장균 변종 astaxanthin이 건설 되었습니다, 그리고 그 수율은만큼 높 400 μ g/g DCW [36].대장균에서는 주요 속도 제한 효소인 DXP synthase (DXP)와 IPP isomerase (IDI)의 과발현은 IPP와 DMAPP의 공급을 증가시킨다.

의 신진대사의 유속을 높임 으로써 isopentenyl diphosphate 선임자들, 카로 티 노이 드의 생산 리코 펜이나 β-carotene 상당히 증가 할 수 있다.그러나, 대장균의 astaxanth에서이종 biosynthesis에, β의 전향-carotene를 이루기 위한 astaxanthin은 가장 중요 한 단계이 효율적인 astaxanth에서biosynthesis다.재조 λ 붉은색 기술을 사용 하여, 한 plasmid-free 대장균, 건설 되었고 xanthophyll biosynthesis의 유전자 Pantoea ananatis과 Phaffia대장균의 염색체로 통합 되었BW-CARO조작 변종 대장균 BW-ASTA를 얻을 수 있습니다.이 균주는 이형발현 후 astaxanthin의 1.4 mg/g DCW를 생산하였다.후에 네 박테리아 glutamicum 박테리아 glutamicum 성공적으로 합성 되어 astaxanth에서리코 펜의 유전자를 코드화를 표명하고 있 cyclase CrtY,β-carotene ketolase CrtW와 β-carotene hydroxylase CrtZ에서 Fulvimarina pelagi,과 수익률은 0. 4 mg/도달 할 수 있 L/h [32]다.

박테리아 자체에 의한 아스타잔틴 합성 수준은 조류의 그것과는 상당히 다르지만, 박테리아의 아스타잔틴의 합성은 매우 중요하며 후속 조작된 균주의 제작에 해당하는 유전자 서열을 제공한다.

효모에 의한 Astaxanth에서합성 2.3

현재 로도토룰라 글루티니스는 천연 아스타잔틴의 주요 효모 원료이며 아쿠아피드 산업에 적용되고 있다.Rhodotorula glutinis에 의한 astaxanthin의 합성에 관한 연구는 균주의 분리, 돌연변이 생성, 그리고 높은 수율의 astaxanthin을 생산하는 균주를 얻기 위한 유전공학에 중점을 두었다.적색효모 (Red yeast)는 배지균 (basidiomycete) 곰팡이균으로 능적으로 냉기를 좋아하고 저온효모이다.

합성하는 아스타잔틴은 덱스트로토성 구조를 가지고 있으며 2차 대사산물로 적색 효모가 합성하는 주요 카로티노이드이다.wild-type의 astaxanthin합성 농도에 대해 붉은 이스트은 200-400 μ g/g DCW,돌연변이와 긴장은 높은 astaxanthin생산과 함께 변종이를 얻을 수 있다.야생형 Phaffia rhodozyma균주는 항티마이신 (antimycin), 니트로구아니린 (nitroguanylin, NTG), 메틸니트로-니트로구아니딘 (methylnitro-nitroguanidine) 등의 화학시약과 자외선 및 저에너지 이온빔 기술을 이용하여 돌연변이화 하였다.이 당분간 한 심사를 통해 얻 astaxanth에서변종은 (변종의 요약을, 표 2 참조). E5042 변종의 수율을 유도 했던 에너지 이온 빔 이식에 의해 Phaffia rhodozymaZJB00010 돌연변이 변종에 도달 할 수 있는 2512 μ g/g [37].다양한 탄소원 활용 능력, 짧은 발효주기, 발효기에서의 고밀도 재배, 빠른 생산속도 등 적색효모쌀의 장점으로 인해 astaxanthin의 산업적 생산에 우수한 균주로 이용되고 있다.

또한, 효모 공법 균주는 astaxanthin 생산에 응용 가능성이 높다 (표 2). Yarrowia lipolytica는 IPP와 DMAPP 생산이 높다.연구결과는 CrtZ가 핵심이들이는 효소의 변환 catalyzes β astaxanthin-carotene하다.그 β-carotene hydroxylase CrtZ 코딩 Pantoea에서 유전자 ananatis와 β-carotene ketolase CrtW 코딩 유전자 Paracoccus sp에서이다. N81106 Yarrowia에 도입 되었lipolytica게놈이다.효소 유전자 CrtZ 부호화와 β-carotene ketolase CrtW 코딩 Paracoccus sp에서 유전자 N81106.조작된 균주 ST7403은 3.5 mg/g DCW (54.6 mg/L) [40]의 높은 astaxanthin 수율을 얻었다.crtZ의 도입과 bkt 유전자에서 Haematococcus pluvialis 유전공학을 통해로 미세으로의 변환 효율성을 높 일 수 있 β astaxanthin하고 얻-carotene 세포에서 astaxanthin의 축적이다.GGPP synthase의 양성 돌연변이에서는 tHMG1이 과발현 되었으며, 세 가지 속도 제한 효소인 CrtI CrtY와 CrtB의 암호화 유전자는 과발현 되었다.최적화된 2배체 균주에서 CrtZ와 BKT의 암호화 유전자는 과발현 되었으며, astaxanthin 축적량은 8.10 mg/g DCW에 달했다 [42].합성된 아스타잔틴이 레보로타리 (levorotary) 구조라는 점에 주목할 필요가 있다.

아스타잔틴의 미세조류 합성 2.4

미세조류는 일반적으로 엽록소 a를 함유하고 광합성을 할 수 있는 미생물을 총칭하는 말이다.대부분의 미세조류는 다불포화지방산 및 미세조류 다당류와 같은 다양한 생리활성 성분을 합성할 수 있을 뿐만 아니라 다량의 카로티노이드를 축적할 수 있다.일부 미세조류는 자신만의 완전한 아스타잔틴 합성 경로를 가지고 있다.그 중 Haematococcus pluvialis와 Chlorella vulgaris와 같은 담수 단세포 미세조류는 astaxanthin 생합성의 주요 원천이다.이외에도 유글레나 (Halamidomonas), 유글레나 (euglena), 아세타-불라린에도 아스타잔틴이 함유되어 있다.

미세조류 세포는 환경 스트레스에 노출되면 녹색의 광합성 형태에서 적색의 낭성 형태로 전환할 수 있습니다.이는 미세조류 세포가 생장에 좋지 않은 환경에 대응하기 위해 아스타잔틴을 다량 합성했기 때문이다.Chlorella pyrenoidosa 미세조류에서 astaxanthin의 생합성은 지수 성장 단계 초기에 시작된다.세포는 보통 녹색, 광합성 형태로 최적의 조건에서 성장한다.스트레스가 많은 상태는 아스타잔틴의 축적을 유도하고 세포는 적색의 낭포성 형태를 띤다.형성 된 기본 카로 티 노이 드와 달리, 광합성의 구조 및 기능적 요소 (예를들어 β-carotene, 틴 및 루테인), astaxanthin 축적 할 수 있을 같은 스트레스를 받는 조건 대량으로 높은 빛, 결핍 높은 염분과 영양 소이다.낮은 영양과 높은 광량과 같은 환경 스트레스 조건에서 캡슐의 형성이 시작되고 많은 양의 아스타잔틴이 축적됩니다.빛, 온도, 염분 및 화학 시약은 모두 분자 수준에서 astaxanthin 합성에 영향을 미친다.

고온 조건에서 세포에서 생성되는 과도한 저활성 산소는 카로티노이드 대사를 약화시킨다.고광도 [44]와 아세테이트 [45], 메틸자스모네이트 [46]와 깁베렐린 [46]은 모두 카로티노이드 생합성 경로와 관련된 주요 유전자의 발현을 촉진하는 기능을 가지고 있다.Acetate, methyl jasmonate 및 gibberellic acid는 crtZ 유전자의 발현을 향상시키고 lcyE 유전자의 발현을 억제함으로써 astaxanthin 생합성을 더욱 촉진한다.아세테이트와 같은 유도 조건에 비해 높은 광도는 pds, crtISO, lcyB,lut1, lut5 및 zep 유전자의 발현에 영향을 미치며, 이는 카로티노이드 생합성을 더 크게 촉진하며 카로티노이드 합성과 관련된 유전자의 발현 변화의 주요 원동력이다.연구에 따르면 높은 빛 조건에서 캘빈 회기와 트리카르복실산 회기는 다른 신진대사를 위한 더 많은 전구물질을 제공한다.그 β-carotene hydroxylase, hexahydro-lycopene synthase, 그리고 octahydro-lycopene desaturase 모두 upregulated, 세포 내를 증가시 킴 으로써 astaxanthin 축적이다.

헤마토코쿠스 플루비알리스 (Haematococcus pluvialis)에서 추출한 아스타잔틴 (astaxanthin)의 산업적 생산은 1990년대 후반에 대규모로 시작되었다.단세포 광합성 생물의 일종으로 야생형 헤마토코쿠스 플루비알리스 세포는 건조 중량 기준으로 아스타잔틴을 4%까지 함유할 수 있다.또한 광에너지 이용률이 높고 성장이 빠른 특징을 가지고 있으며, 중국에서 안전한 생산균주로 인정받고 있다.

그러나 헤마토코쿠스 플루비알리스 (Haematococcus pluvialis)의 산업화를 위해서는 광합성을 보장하기 위해 광반응기를 사용해야 하며, 이는 생산 비용을 상당히 증가시킨다.따라서 생산원가를 절감하기 위한 새로운 자원과 기술의 개발이 현재 연구의 중심이 되었다.

2.5 해양 진핵 미생물은 astaxanthin을 합성한다

스라우스토키트리움 (Thraustochytrium)은 미알가와 비슷하지만 엽록체 가 부족하여 광합성을 하지 않는 진핵 미생물의 일종이다.세포는 지질, 색소, 스콸렌 등 인체에 유익한 활성물질을 대량으로 축적할수 있다.게다가, Thraustochytrium, Schizochytrium및 Aurantiochytrium β 같은도 역시 카로 티 노이 드 축적-carotene 그리고 astaxanthin.연구결과, 탄소원 조건에 따라 Thraustochytrium, Schizochytrium, Aurantiochytrium의 대사산물이 다르게 나타났다.현재 관련 대사연구가 진행 중이다 (Table 3). 글리세롤은 Schizochytrium에 의해 탄소원으로 글리세롤을 발효하는 동안 주로 글리세롤은 당질 활성을 향상시키고 NADPH를 생성함으로써 Schizochytrium내 2차 대사산물의 생합성을 촉진한다.양조 부산물과 폐당밀을 thraustochy-triidae sp.와 Aurantiochytrium sp.의 탄소원으로 이용하여, 생산비용을 절감하는 동시에 astaxanthin 생합성에 성공하여, thraustochy-triidae sp.에서 astaxanthin 생합성 상업화 가능성을 더욱 높였다.

또한, 세포 내 아스타잔틴 생성은 환경 스트레스, 돌연변이 생성, 유전 공학 및 기타 수단을 통해 더욱 향상될 수 있습니다.Astaxanthin은 강력한 항산화 능력을 가지고 있습니다.세포가 스트레스를 받으면 세포 내 카로티노이드의 대사가 강화되어 아스타잔틴의 생성이 크게 증가하고 세포가 불리한 환경에 저항하는 데 도움을 준다.연구 결과 특정 농도의 butanol과 methanol은 Schizochytrium limacinumB4D1에서 astaxanthin 합성을 유도하는 효과가 있는 것으로 밝혀졌다.6% 메탄올 문화 중간에 추가 되었을 때, 총 astaxanthin 콘 텐 츠 가 3300 μ g/g로 증가, 그리고 그 astaxanthin 합성은 주로 3S-3'의 구조 [47].

대사 경로가 명확해지면서 유전공학 기술을 통해 Aurantiochytrium 에서도 생산량이 높은 astaxanthin 균주를 얻었다.Aurantiochytrium sp에 있다. SK4 변종의 헤 모 글 로빈 유전자를인 코딩 diatom Vitreoscillastercoraria (vhb)는 overexpressed, 그리고 astaxanthin 생산 9-fold 증가 131.09 μ g/g [21].게다가,이 당분간 astaxanthin 변종 mutagenesis의 야생 변종 사용 하여 얻을 수 있 γ-rays, NTG 화학물질, 그리고 다른 방법.의 astaxanthin 수율 high-yielding 변종 Schizochytrium SH104 γ을 사용 하여 얻-rays 그 원래의 변종 3번, 도달 3.689 mg/L[51]이다.또한 Schizochytrium은 DHA 생산에 안전한 균주일 뿐 아니라 빛을 필요로 하지 않는 특성을 가지고 있어 산업용 astaxanthin 생산에 잠재적인 균주로 이용된다.

2.6 식물은 아스타잔틴을 합성한다

몇몇 종의 마리골드는 아스타잔틴을 생산할 수 있는 유일한 육상 식물이다 [56].아도니스속에 속하는 Adonis aestivalis와 Adonis annua의 꽃잎은 아스타잔틴이 축적되어 밝은 핏빛을 보인다.그러나 마리골드 꽃의 크기가 작아 아스타잔틴의 공업적 생산에 한계가 있다.그러나 고등식물에서 astaxanthin 합성 경로의 좋은 매개체이며 astaxanthin 바이오 반응기 개발에 참고가 된다.아스타잔틴은 카로티노이드 대사의 최종 산물이다.비록 많은 식물들이 아스타잔틴을 축적하는 능력은 없지만, 그들은 높은 수준의 카로티노이드를 함유하고 있다.

에서 관련 유전자 신진대사의 경로에서 β astaxanthin-carotene들은이 러한 식물 세포에서 실종 된, 신진대사를 야기 시키는 분해하에 β-carotene 합성 단계다.연구자들은 유전공학을 통해 높은 수율의 아스타탄틴을 생산하는 조작된 식물 균주를 얻었다.토마토,의 co-expression, Chlamydomonas reinhardtii β-carotene ketolase과 Haematococcus pluvialis β-carotene hydroxylase으로 인해 대부분의 노 원래의 드의 upregulati에유전자 토마토, 효과적으로 연출에 탄소 플럭스 카로 티 노이 드하고 축적하는 많은 양의에서 무료 astaxanthin 잎이다.담배에서 crtW와 crtZ를 암호화하는 Brevundimonas sp다.SD212 유전자의 발현은 담뱃잎에서 astaxanthin을 0.5% DCW (전체 carotenoids의 70% 이상)로 생성하였다 [57].

결론 및 전망 3

Astaxanthin은 강력한 항산화 특성을 가지고 있습니다.astaxanthin에 대한 시장의 관심이 증가하고 수요가 증가함에 따라 astaxanthin은 식품 영양 강화제, 의료, 사료 및 기타 분야에서 응용 가치와 개발 잠재력이 큽니다.화학적, 생물학적으로 합성된 아스타잔틴은 분야마다 응용공간이 다르다.화학적으로 합성된 astaxanthin은 원가가 낮고 저렴하며, 산업화되었으며, 시장에 공급되는 astaxanthin의 주요 산업 공급원입니다.생합성 아스타잔틴이 증가함에 따라 각국은 화학적으로 합성한 아스타잔틴에 대한 관리가 점차 엄격해지고 있다.미국 식품의약국 (FDA)은 화학적으로 합성한 아스타잔틴이 식품, 보건품 및 기타 시장에 진입하는 것을 금지했다.

생합성 천연 astaxanthin은 더 높은 생물학적 활성과 더 안전한 원천을 가지고 있어 시장의 요구를 충족시키며, 특히 사람이 섭취할 수 있는 천연 색소에 있어 연구의 핫플레이스가되고 있습니다.이러한 시장 수요에 따라 생합성 아스타잔틴에 대한 관심도 높아지고 있다.그러나 현재 천연 아스타잔틴의 생산량이 적으면 가격이 높아져 일반적인 시장 수요를 충족시킬 수 없다.이에 부응하여 마케팅 's에 대한 수요가 증가, 합성 생물학, 대사 공학, 발효 공학 및 기타 수단을 통해 식물 또는 미생물에 astaxanthin 생합성의 정확한 조절은 천연 astaxanthin의 대규모 산업 생산을 달성하는 효과적인 방법입니다.무에서 아스타잔틴을 합성할 수 있는 능력을 가진 알려진 생물은 여러 종류의 박테리아, 효모, 미세조류 및 식물 [19]에 한정되어 있기 때문에 높은 산출량을 가진 아스타잔틴을 생산하는 미생물 균주를 얻는 것은 아스타잔틴의 대규모 생산을 위한 중요한 연구 방향이다.

또한, 생합성의 하류 처리, 특히 astaxanthin의 효율적인 추출 및 정제에도 상당한 어려움이 있다.생합성된 아스타잔틴의 생산 잠재력은 거대하며, 여전히 극복해야 할 주요 과제는 더 나은 엔지니어링과 공정을보다 원가 경쟁력을 갖추기 위한 혁신을 필요로 한다.요컨대, 아스타잔틴의 생합성은 매력적인 분야이며 빠르게 발전할 수 있습니다.바이오기술은 바이오유래 아스타잔틴의 산업적 생산에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.

참조:

[1] 월시 C T, 탕 Y. 이 화학 생물학 인간 비타민 [M]의.RSC:Royal Society 의Chemistry,2018, 10:1-446 쪽

[2] 태양 W  H.  연구 에 다른 근원에서 astaxanthin의 분리 및 준비와 그 구조-활성 관계 [D.칭다오:중국해양대학, 2015.

[3] 다비넬리 S,닐슨 M,스카파니니 G. 아스타잔틴 in 피부 건강, 수리, 그리고 질병: A  포괄적인 [J] 검토 합니다.영양분, 2018년, 10 (4):522.

[4] 콩 X Y, 장 H Z  J I  J O  E. 최근 진행 소식통에,  생물학적  활동   그리고  응용 프로그램  의  astaxanthin다 [J다]International 저널의Sciences 2019, 8(3):31-34.

[5] 암바티 R, PHANG  S M, 라비  S,  et 알다. Astaxanthin:소스, 추출, 안정성, 생물학적 활동과 그 상업 applications-a [J] 검토 합니다.해양약품,2014,12(1):128-152.     [6]HOLTIN K,KUEHNLE M,REHBEIN J등이 있다.astaxanthin의 결정 그리고 astaxanthin  에스테르 in  이 고정화 에 의해 LC-(APCI)MS및 N Haematococcus pluvialis MRspectroscopy에 의한 주된 카로티노이드 이성질체의 특성 (J.2009,395(6):1613-1622.

[7] 첸 G, 왕 B,한 D 등.의 Molecular mechanism 이coordinat이온between astaxanthin 그리고지방이 많은산bio합성in (아스타잔틴과 지방산 생합성  Haematococcus pluvialis (엽록소과)[J.플랜트 J,2015,81(1):95-107.

[8] 노보베스카 L, 로스 M E,스탠리 M S외.Micro-algal carotenoids:A review 의production, current markets, regula-tions, 그리고future direction[J]에 대한 자료입니다.해양약품,2019,17(11):640.

[9]  아키   T,    HACHIDA   K,    YOSHINAGA   M,    et   카로티노이드의 잠재적 공급원으로서 알다.Thraustochytrid[J.미국석유화학학회,2003,80(8):789-794.

[10] 파이 S Q, 첸 X Z, 후 주석은 S  P, et 알다.  합성   의  astaxanthin다 [J다]   유기 농  화학, 2007년 27 (9):1126-1129다.

[11]MOBIN S, ALAM F. 을Some promising microalgalspecies  상업적 응용:검토 [J].에너지 Procedia,2017,110:510-517.

[12] 위드머 E.  기술 절차  을 이  syntheses 카로 티 노이 드의   그리고   관련   화합물   에서   6-oxo-isophorone:Syntheses 의 (3R, 3 ' R)-zeaxanthin. 부분 나는 [J]다. 헬 베 티 카 Chimica 행동, 1990년, 73 (36):861-867다.

[13] 한스 게오르크 E, 스피어, 요아힘 P 등이 있다.canthaxanthin의 준비 그리고 astaxanthin: USOO5210314A  [P]다.  1993-5-  11 [1993-5-11] 입니다.http://www.google.co.in/patents/USOO5210314A다.    [14] 볼프강 K,브릴, 클라우스 H, etal.준비 astaxanthn:USOO5654488A [P].1997-08-05 [1997-08-05] h.ttp://www.google.co.in/특허/USOO5654488A.

[15] 황 G D,장 C J,  et  알다.  연구  진행   in    이  화학   합성  astaxanthin [C]의다. 2009 절강 음식 첨가 제 그리고 재료 산업  기업가 정신  혁신  포럼이다.   절강   식품첨가물공업협회, 2009, 4:353-358.

[16] 팡엔, 왕 C,류 X 외.드 새로 합성 아스타잔틴 중에서:유기체에서 유전자로 [J].식품과학&의 동향기술, 2019년 92:162-171다.

[17] VRANOVa  E,   COMAN  D,  GRUISSEM  W.  네트워크  분석  의  이   MVA    그리고  MEP   경로   을   isoprenoid  합성다 [J다]  연간  검토   의  식물   Biology,2013,64(1):665-700.

[18] 리  C,    SWOFFORD  C   한,   스키  A   J.  카로티노이드의 미생물 생산을 위한 모듈공학 [J.Metab Eng Commun,2020,10:e00118.

[19] LUO Q, BIAN C, TAO M 등.astaxanthin-producing green microalga, Haemato-coccus pluvialis[J]의 Genome과 transcriptome sequencing에 관한 연구.「 Genome Biol Evol 」,2019,11(1):166-173.

[20] 로어  M,   SCHWENDER  J,  POLLE  J  E.  Isoprenoid biosynthesis in  진 핵 phototrophs: A  스포트라이트 에 조류다 [J다]2012년 식물 Sci, 185-186 (없 음):9-22다.

[21] 예지, 류엠, 허 M, etal.삽화 및 생합성 강화   의   astaxanthin     그리고   docosahexaenoic    산    Aurantiochytrium sp. SK4[J.오후Drugs,2019,17(1).

[22] 헨리 L  K,   토마스 S  T, WIDHALM J R,  et 알다. 기여   의   isopentenyl    phosphate    을   식물   terpenoid 신진대사다 [J다]자연 식물, 2018년 4 (9):721-729다.

[23] 모이즈 A R,알바빌리 S, 워첼 E T.기계론적  측면 의 carotenoid biosynthesis다 [J다]  화학 Rev,2014,114(1):164-193.

[24] 알바레스 V, 로드리게즈-사이즈 M, 푸엔테 JL D L 외. 이 crtS 유전자 Xanthophyllomyces의 dendrorhous 코딩 소설을 cytochrome-P450 hydroxylase의 변환에 관여 β-carotene  로  astaxanthin   그리고  다른 xanthophylls다 [J다]  진균유전학&생물학, 2006년, 43 (4):0-272.

[25] 류 Y, 쿠이 Y,  첸 J, et 알다. 대사 공학 Synechocystis의  sp.   PCC6803  을  생산  astaxanthin다 [J다]  조류 연구, 2019년, 44:101679다.

[26] SCHOEFS B,  RMIKI N, RACHADI J, LEMOINE Y. 헤마토코쿠스에서 Astaxanthin을 축적하려면 cytochrome P450 hydroxylase 가 필요하다 그리고 한 활성 synthesis  의 지방이 많은 산은다 [J다] Febs Letters, 2001, 500(3):125-8.

[27] GOMEZ L, OROZCO M I, QUIROGA C 외.Produccion  드Astaxantina y expresion 드유전자en Haematococcus pluvialis (유전자의 유전자)  (Chlorophyceae,   Volvocales)  bajo   condiciones  드   estres   por  deficiencia  de   nitrogeno  y   alta 주식회사  irradiancia:  Produccion  de   astaxantinay expresion de genes en H. pluvialis[J.「 Revista Mutis 」, 2019,9(2):7-24.

[28] IDE T, HOYA M, TANAKA T 등.random mutagenesis와 genetic engineering을 이용하여 Paracoccus sp. 변종N-81106에서 astaxanthin의 생산을 증진시켰다 [J.생명화학공학회지,2012,65:37-43.

[29]  SHAHINA M, HAMEEDA,LIN S Y외.Sphingomicrobium astaxanthinifaciens sp.  11월., 한 표층 해수에서 분리한 astaxanthin-producing glycolipid-rich bacterium과 Sphingomicrobium 속 (J.정수JSystEvol Microbiol,2013,63(Pt 9):3415-3422.

[30] 성우는 마츠모토아야  M,   IWAMA  D,  ARAKAKI 한,  et  astaxanthin을 생성하는 세균인 Altererythrobacter ishigakiensis sp. nov 고립 된 에서 a  해양 퇴적물 [J]다. Int  J   Syst  Evol 마이크로바이올,2011,61(Pt 12):2956-2961.

[31] ASKER D.의 분리 및 특성 (Isolation 그리고성격 묘사의a novel, highly selective astaxanthin producing 해양박테리아(J.J Agric음식Chem,2017,65(41):9101-9109.

[32] HENKE N 한,HEIDER S 한,PETERS-WENDISCH P,외.  생산 해병 (海兵)의 carotenoid 대사적으로 astaxanthin  engineered   네 박테리아   glutamicum다 [J다]  Mar   마약, 2016년, 14 (7):124.

[33] 카린 레무스 KS A C A. 플라스미드가 없는 Escherichia의 공학  콜  변종  for   개선  in   생체 실험  biosynthesis  astaxanthin [J]의다.미생물 세포 공장,2011:10.

[34] 예 R  W,  야 오 밍 H, 대신 K,  et  알다. 건설 의  astaxanthin  생합성 경로 in  a  methanotrophic 박테리아  Methylomonas sp. 균주 16a[J.J Ind Microbiol Biotechnol,2007, 34(4):289-299.

[35] 타오 L, 세드코바 N, 야오 H 외.세균성 헤모글로빈의 발현  genes   을   개선   astaxanthin    생산  in   한 methanotrophic bacterium  Methylomonas   sp다 [J다] 한 기초 2007년 Microbiol Biotechnol, 74 (3):625-633다.

[36]이 J  H, 김 Y  T.  복제 그리고 characterization  아스타잔틴 biosynthesis 유전자 클러스터 에서 the  marine  bacterium Paracoccus 해운다엔시스 [J.유전자, 2006년, 370:86-95.

[37] 류 Z Q, 장 J F, 정 Y G 등.astaxanthin의 개선 생산 에 의해 a  새롭게 고립 된 Phaffia   rhodozyma 돌연변이 와 에너지 ion  빔 이식다 [J다] 저널 의Applied Microbiology,2008,104(3):861-872.

[38] 칸우구 O N, 샤투노바 S A, 글루카레바 T V 등.different의 효과 설탕 소식통 on  P. rhodozyma  Y1654 성장 그리고 astaxanthin 생산 [J].농학 연구, 2020:18.

[39]장H,ZHOU Y, HU J 외.돌연변이에 의한 아스타잔틴 생산 변종 의 Phaffia  rhodozyma  그리고 최적화 의 문화 조건 사용 반응  표면  방법론다 [J다]  연보  2014년의 미생물학, 64 (4):1473-1481.

[40] 킬 데 가드 K  R,  ADIEGO-PEREZ B,  DOMENECH BELDA D, 외.astaxanthin[J] 생산을 위한 Yarrowia lipolytica의 공학.「 Synth Syst Biotechnol 」,2017,2(4):287-294.

[41] 트라몬틴 L R R, 킬 데 가드 K R, 수다산 S,  et al.oleaginous 효모의 astaxanthin 생합성 증진  yarrowia lipolytica  을 통해 microalgal 경로 [J]이다. 「 미생물 」, 2019,7(10):472.

[42] 조우 P, XIE  W,  리 A,  et  알다. 완화 의 대사 병목 현상이  에 의해  combinatorial  공학  향상 된  astaxanthin 합성   in    Saccharomyces   cerevisiae다 [J다]   효소   Microb Technol, 2017년, 100:28-36.

[43] ZHOU P, YE L, XIE W, 외.매우 효율적인 생합성 (biosynthesis)  의 astaxanthin  in  Saccharomyces cerevisiae 에 의해 통합  그리고  algal crtZ와 bkt[J]의 튜닝.한 기초Microbiol Biotechnol,2015, 99(20):8419-8428.

[44] HAN D, LI Y, HU Q. Astaxanthin in microalgae:Pathways,functions 그리고biotechnological implications (J). algae,2013,28(2):131-147.

[45] HE B, HOU L, DONG M 등.Haematococcus pluvialis에서 Transcriptome analysis:acetate와 Fe를 이용한 고광에 의한 Astaxanthin induction (2)[J.Int J Mol Sci,2018,19(1):175.

[46] 루 Y,   지 앙 P,  LIUS, et  al.  메 틸 jasmonate 또는 gibberellins a3로 유도된 astaxanthin 축적은 microalga Haematococcus pluvialis[J]에서 beta-carotene ketolase 유전자 (bkts)의 전사의 upregulation과 관련이 있다.  Bioresour  Technol, 2010,101(16):6468-6474.                                                                

[47] 장 K, 첸 L, 류 J 외.butanol이 고부가 제품 생산에 미치는 영향 in  Schizochytrium  limacinum B4D1다 [J다]한국전자거래학회 학술대회 2017년,2017 효소Microb Technol, 102:9-15.

[48] DU H,  요 X, 가 오 Z,  et  al.  효과 of  메탄올 on   카로 티 노이 드 as  음 as  바이오 매스 그리고 지방이 많은 산 biosynthesis in   Schizochytrium   limacinum   B4D1다 [J다]  Appl   연구  마이크로바이올, 2019,85(19):e01243-19.

[49] 굽타 A,  싱 D, 바로우 C J, et  al.  글리세롤의 생물전환을 위한 호주 thraustochytrids의 잠재적 이용 (Exploring potential use of Australian thraustochytrids for the bioconversion of glycerol 을 오메가 3 and  카로 티 노이 드 생산 [J]이다. 생명화학공학회지 2013년,78:11-17.

[50] 차두롱 W, 용마니차이 W, 림통 S 외.태국 맹그로브 숲에서 분리한 돌연변이 schizochytrium limacinum의 docosahexaenoic acid (DHA)생산 최적화 및 astaxanthin 함량 개선 (J.Kasetsart Journal-자연과학,2007,41(2):324-334.

[51] PARK H, KWAK M, SEO J 외.카로티노이드 생산 강화 사용 a   Thraustochytrid  microalgal  strain  도코사헥사에노익산이 풍부한 오일 [J]을 다량 함유.Bioprocess Biosyst Eng,2018,41(9):1355-1370.

[52] 퀼로드란 B, 힌츠페터 1세, 호르마자발 E 등.Docosahexaenoic   acid    (C22:   6n-3,   DHA)    and    Ulkenia sp.에 높은 상성을 보이는 토종 균주인 Thraustochytriidae sp. AS4-A1에 의한 astaxanthin 생산:식품으로부터 액상 잔류물의 평가  산업  as   영양  소식통이 [J]다.  Enzyme   and   Microbial Technology,2010,47(1-2):24-30.

[53] 이와사카 H, 아키 T, 아다치 H 외.폐기물의 활용  다 불포화 지방산 및 xanthophylls의 생산을위한 시럽  에 의해  aurantiochytrium다 [J다]  Journal   of   Oleo  2013년 과학, 62 (9):729-736.

[54] SUEN Y L, TANG H, HUANG J 외.향상 된 생산  of  fatty  산 and  astaxanthin  in  Aurantiochytrium   sp.  이어지 겠  표현 of  Vitreoscilla  헤 모 글 로빈다 [J다] J  Agric  Food   2014년 화학, 62 (51):12392-12398다.

[55] 와타나베 K, 아라필스 K H V, 히가시 R, et al.높은 카로티노이드를 생성하는 Aurantiochytrium sp. 돌연변이의 분리 및  대사정보를 이용한 astaxanthin 생산성 향상 [J.J Oleo Sci,2018,67(5):571-578.      

[56] CUNNINGHAM F X, J R, GANTT E. Adonis aestivalis[J]의 꽃에서 astaxanthin으로 가는 경로에 대한 해명.2011년 식물 세포, 23 (8):3055-3069다.

[57] 미야자와 하스누마 T S, 길 촌 S, 외.Biosynthesis of  astaxanthin  in  담배 잎 에 의해 transplastomic 공학 [J]다.2008년 식물 J, 55 (5):857-868.