베타카로틴을 합성하는 방법?

카로티노이드는 오렌지색의 카로티노이드이다주로 과일, 채소, 해조류에서 발견된다.β-carotene, tetrapterene 가족의 구성원 으로서,에는 상당 한 생물학적 가치, 인간 면역 력을 향상시 킬 항 산화제 역할을 주고 전시에 항암 [1].비타민 a의 전구체이기도 하며 의약품, 영양제, 화장품, 식품 [2] 등에 수없이 응용된다.people&의 지속적인 개선으로#39;의 건강에 대한 인식, 영양 보조제의 시장 가치는 점차 증가하고 있으며, 시장 전망은 밝다.카로 티 노이 드 광범 위한 관심을 얻었, 특히 β-carotene, 루테 astaxanthin, 리코 펜, 그리고 입니다.예측에 따르면, 세계 카로티노이드 시장 규모는 2022년 20억 달러에서 2027년까지 270억 달러로 성장할 것으로 예상되며, 연평균 성장률 (CAGR)은 5.7%에 달할 것으로 전망된다.

현재,생산의 β-carotene주로 자연 채취, 화학 합성, 미생물 합성 [3]에 의존한다.자연 추출은 일반적으로 식물, 채소 및 해조류에서 카로티노이드를 추출하는 것을 포함하며, 정화 과정이 어렵고 수확량이 낮습니다.화학 합성은 다단계 반응, 환경적으로 불친절한 공정, 부산물 및 유해 물질의 생산과 같은 문제에 직면해 있습니다.미생물 합성은 높은 제품 수율, 부산물 형성 없음, 낮은 생산 비용, 온화한 생산 조건, 노동 요구 사항 감소, 환경 친화적인 공정 등의 장점을 제공합니다.그러므로, 미생 물의 세포의 건설 공장의 이종 합성 β-carotene은 점점 더 연구원들의 관심을 끌었다.

수많은 생물학적 기능, 덕분에 시장에 대한 수요는 β-carotene는 빠르게 성장하고 있지만, 새로 운 biotechnological 생산의 개발 플랫폼을 necessitating 합니다.합성 생물학을 이용하는 연구에 synthesising β-carotene, 중요 한 진전을 같은 혁신적인 대사 공학 전략, 발효 조건의 최적화,와 섀시의 다변화는 셀 선택,의 수율을 상당히 증가 β-carotene다.그러나 생명공학의 한계로 인해 산업적 규모의 생산이 이루어지기까지는 아직 상당한 차이가 있다.따라서 본 논문에서는 물리화학적 특성, 생합성 경로, 그리고 현재 연구를 검토한다상태의 β-carotene, 체계적으로 요약 대사 공학을 위한 전략 synthesising β-carotene, 생산과 도전과 향후 연구 방향을 식별 β-carotene 합성 생물학 기술을 사용하고 있다.이 연구를 제공하는 것을 목표로 건설을 위한 기준으로 미생물 셀 공장을 β-carotene 천연 제품과 다른다.

물리적, 화학적 특성 및 기능 1

β-carotene은 isoprenoid 화합물, 식물과 미생물에서 발견 된 노 liposoluble 드, 화학 식과 C40H56, 분자 536.88의 체중과 약 178 ° C의 녹는 점이다.β-carotene은 tetrapterone 화합물8 isoprene 단위로 이루어 져와 두 β-carotenoid반지, 전적으로 탄소와 수소 원자의 분자로 구성 된, 그리고 40 탄소 원자 가들어 있는 구조의 핵심이다.

자연에서는, 대부분β-carotene all-trans 양식에 존재하는, 그림 1과 같이 c은구조에서 적은 비율로.전시품 β-Carotenelipophilicity과 높은 hydrophobicity으로 인해 근육조직은 이중 채권과 중앙 대칭 [4].β-Carotene은 다양 한 용매에서 다른 solubilities, 클로로 포름 같은 유기 용제에서 쉽게 용해 되고 있고 아세 톤, 하지만 물에 녹지 않다.이 물질은 빛과 열에 불안정하여 분해되기 쉬우며 [5] 빛으로부터 떨어진 낮은 온도에서 보관해야 한다.동안의 추출 β-carotene, 비타민 C와 같은 항 산화 물질 또는 2, 6-di-tert-butyl-p-cresol은 종종 산화와 분해 되는 것을 방지 하기 위해 추가를 향상시 킬 수 있 안정 성이다.

β-carotene 다발성 예방 및 치료 질병과에 미치는 영향은 인간의 건강에 이롭다.첫째, β-carotene은 암을 예방적 효과 가 있습니다.연구결과, 유의미한 것으로 나타났다협회 사이 β-carotene섭취량과 폐암의 위험, 높은 의미의 섭취량 β-carotene 폐암 [6]의 위험을 줄이 는데 도움이 된다.두 번 째로, β-carotene의 기능도 갖고 있는 대식 세포의 능력을 억제 하여 심혈 관 질환 예방 oxidatively 저 밀도 지방 단백질, 수정 함 으로써 동맥경화증의 위험을 줄이고 심혈 관 질환의 발생과 관련 된 사망 [7].

주목할 필요가 있는 것은, 베타카로틴은 강력한 항산화제로서 인체 내 산소 활성산소를 제거할 수 있으며 매우 효율적인 싱글릿 산소 차단 능력을 보유하고 있다.게다가, provitam에서화합물 로서, β-carotene은 비타민 a의 중요 한 원천이,에서 중요 한 역할을 놀고 셀 차별화, 배아 개발, 안구 건조 증의 예방과 질병이다.또한 면역체계를 강화하고 감염에 대한 저항력을 강화하는데 도움을 준다 [8].β의 잠재적인 건강 상의 이점을 계속 해서 탐구 될-carotene, 그리고 기능의 개발 및 률이 풍부 한 음식 β-carotene점점 더 널리 퍼지고 있다 [9].그러므로, 미생 물의 세포의 개발 공장의 효율적인 합성 β-carotene biotechnological 방법에는 상당 한 시장을 통해 응용 프로그램 가치 가 있다.

2 β-Carotene생합성 경로

카로티노이드는 이소펜테닐이인산 (IPP) 골격을 갖는 테트라프테로이드 화합물이다.노의 biosynthesisβ-carotene의 일부이 드 생합성 경로이다.IPP와 dimethylallyl diphosphate (DMAPP)는의 합성을 위한 초기 구조 단위이다리코 펜, β-carotene, 그리고 기타 카로티노이드 [10].IPP와 DMAPP의 합성은 주로 isoprenylation pathway와 isoprenyl-diphosphate 경로(IDP)의 두 가지 경로를 통해 일어난다. DMAPP)은 리코 펜의 초기 합성을 위한 구조적 단위, β-carotene, 그리고 다른 카로 티 노이 드 [10].IPP와 DMAPP의 합성은 주로 세포질의 mevalonic 산(MVA) 경로와 plastids의 methyl erythritol phosphate (MEP) 경로의 두 가지 경로에서 유래한다.의 생합성 경로 β-carotene 광범 위하게 할 수 있는 업 스 트림 및 다운 스 트림 구성 요소로나 뉜다.업스트림 생합성 경로는 5 탄소 전구체 IPP를 얻기 위해 MV한및 MEP 경로를 이용하여 IPP 생합성 모듈을 형성하는 것을 포함한다.하류 경로 five-carbon 전구체의 변환하는 것을 포함 한 β-carotene, β를만 드 는데-carotene 생합성 모 듈 (그림 2).

2.1 IPP 생합성 모듈

MV한경로는 대부분의 진핵생물, 고세균, 고등식물에 존재한다.해당 과정을 통해 생성된 아세틸 CoA를 초기 기질로 사용한다.acetyl CoA의 두 분자는 acetyl-Co한thiolase (AACT)에 의해 acetyl-CoA (acetoacetyl-CoA)로 전환된 후 acetyl-CoA reductase (ACAR)에 의해 AACoA로 환원된다.이후 AACoA는 acetyl-CoA oxidase (ACO)에 의해 acetyl-CoA로 산화되고, 최종 생성물은 MVA이다. AACoA) 가 생성되고, 이를 hydroxymethylglutaryl-CoA synthase (HMGS)에 의해 응축되어 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) 가 형성된다.마지막으로, HMG-CoA는 hydroxymethylglutaryl-CoA reductase (HMGR)에 의해 MVA로 환원되는데, 이는 MVA 경로의 주요 속도 제한 단계를 구성하는 비가역적인 반응이다 [11].이어서 여러 효소들의 순차적인 촉매작용에 의해 MVA는 인산화와 탈카복실화를 거쳐 IPP로 전환된다.IPP는 isopentenyl diphosphate isomerase (IDI)에 의해 DMAPP으로 이성질화 될 수 있다.

많은 박테리아, 조류, 식물에 존재하는 MEP 경로는 피루브산과 글리세롤-3-인산염을 기질로 사용한다.1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase (DXS), DXS)의 촉매 작용하에 DXP를 형성하였다.그런 다음, 1-디옥시-d-실릴로오스-5-인산환원 효소 (DXR)는 DXP를 MEP로 전환하고, 여러 효소에 의해 IPP와 DMAPP으로 추가로 전환된다.DXS와 IDI는 isopentenylation 경로에서 속도 제한 효소로 간주된다.강화의 활동이 효소들을 증가시 킬 수 있 β-carotene [12] 양보 했다.게다가carotenoid 합성, IPP 및 DMAPP은 또한 artemisinin, oleanolic acid, squalene과 같은 많은 중요한 약물의 합성을위한 전구체입니다.

2. 2 β-Carotene Biosynthesis 모 듈

에β-carotene biosynthesis모 듈, IPP 응축과 cyclisation를 겪을 형성 하기 위해 일련의 효소의 파도, 아래 β-carotene다.의 합성 β-carotene 주로의 엽록체에서 발생 한 조류나 미생물의 세포 질이다.구체적으로, MVA 및 MEP 경로에서 생성되는 IPP 및 DMAPP 분자는 연속적인 효소반응을 거쳐 순차적으로 응축 및 geranyl pyrophosphate (GPP), farnesyl pyrophosphate (FPP), geranylgeranyl pyrophosphate (GGPP)를 형성한다. FPP), 및 geranylgeranyl pyrophosphate (GGPP).

GGPP의 두 분자는 먼저 phytoene synthase (CrtB)에 의해 phytoene으로 전환되고, phytoene desaturase (CrtI)에 의해 리코펜으로 추가로 전환됩니다.할 수 있는 리코 펜 형성 된 cyclised β로-carotene 밑에리코펜의 촉매 작용역할을 β-cyclase (CrtY), 또는 다른 카로 티 노이 드의 합성을 위한 전조이다.연구에서, CrtYB는 것으로 밝 혀 졌 bi기능효소 유능 한 두 GGPP를 octahydrolycopene으로 전환 시키고의 cyclising 리코 펜으로 β-carotene [13].Mucor circinelloides의 CarRP는 옥타하이드로리코펜 synthase와 리코펜 cyclase [14]의 촉매 활성을 동시에 나타내며, 두 가지 상이한 효소 활성을 가진 단백질이기도하다.게다가, IWASAKA trifunctional 효소를 발견 CrtIBY, 직접 만들 수 있는 sp다. 변종 KH105, Aurantiochytrium에 GGPP을 β로 전환-carotene [15].

3에서 최근 발전 미생 물의 합성의 β-Carotene

β의 잠재적인 상업적 가치로 인해-carotene, 미생 물의 세포의 건설 용 공장β-carotene 생산점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.분자 생물학적 기술을 사용 하여, 다중의 핵심 유전자 β-carotene 합성 경로 overexpressed 되었고, 크게 증가하는 β-carotene 박테리아에 축적, 효모,과 조류.현재, β에 사용 되는 주요 섀시 미생물-carotene 생산에는 대장균, 미세, 그리고 Lipolytikus 어구, 다른 사람들 가운데 일부 상당 한 수익률을 달성하다.구체적인 수정 전략 및 수율은 표 1에 나열되어 있습니다.

대장균은 널리 사용되는 미생물이다.대장균은 명확한 유전적 배경, 간단한 유전자 조작, 빠른 성장속도로 인해 점차 미생물 세포공장을 건설하는데 가장 보편적으로 사용되는 섀시세포 중 하나가 되어 이상적인 숙주세포로 자리 잡았다.Dai et알다.활용 한 RBS 도서관의 표현을 규제하는 것 키 유전자 dxs, 이디, 그리고 crt에 β-carotene 합성 경로, 그렇게 함 으로써 증가 β-carotene 생산이다.crtoperon, dxs 및 idi 유전자의 결합 조절 결과 a35% 증가 β-carotene 생산[16].펜토오스 전구체 IPP와 보조인자는 테르페노이드 생성에 있어 두 가지 중요한 인자이다.따라서 IPP의 탄소 플럭스를 증가시키기 위해 대장균의 MEP 경로에 있는 속도 제한 효소 DXS를 과발현 시켜 카로티노이드의 수율을 3.5배 [17] 증가시켰다.

Zhao et알다.통합 β-carotene 합성 유전자에서 Pantoe한agglomerans 대장균 게놈에, 그리고 중앙 대사 모 듈의 공급을 증가 시키 설계 (IPP DMAPP)과 전신 cofactors (ATP와 NADPH), 강화 해 β-carotene 생산, 뒤이어 fed-batch 발효, 결과에 β-carotene 생산의 2. 1 g/L[18].MVA 경로는 이소 프레 노이드 화합물의 합성을위한 상당한 잠재력을 보유하고 있습니다.의 이종 표현 전체 영국 측 경로 및 β-carotene 합성 유전자 조작 된 대장균 β 증가 시키기 위해 생산을-carotene 465 mg/L [19]이다.조작Escherichia coli에서 양은 세포내 IPP와 GPP 농도를 증가시키기 위해 MEP와 MVA 경로를 동시에 과발현 시켰고, 그 결과의 유의한 증가를 초래하였다β-carotene 생산, 최종 발효 수율 3.2 g/L [20]로.

Baker's 효모는 유전자 조작이 간단하고 생산 조건에 내성이 있어 안전한 효모 균주로 널리 인식되고 있어 다양한 고부가가치 화합물을 합성하는 숙주로서 산업 생산에 널리 이용되고 있다.다만 Saccharomycescerevisiae는 그렇지 않다자연 스럽게 생산 β-carotene중요 한 전구체 화합물, 그것은 합성 carotene-1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,, 8, 9, 10-decahydro-1, 10-dihydroxy-10-methoxy-9, 10-dihydro-1, 10-dihydroxy-1, 10-dihydroxy-1, 10-dihydroxy-1, 10-dihydroxy-1, 10-dihydroxy-1, 10-dihydroxy-1, 10-dihydroxy-1, 10-dihydroxy-1, 10-dihydroxy-1, 10-d

YAMANO et알다.처음 보도의 이종 생산 β-carotene로 미세에 있다.리코 펜의 생산은 그들이 성취와 β-carotene crtE을 표현 함 으로써, crtB, crtI,과 crtY 유전자에서 Pantoea ananatis;그러나, 그 생산량은 매우 낮, 103만 μ g/g에서 [21]다.양보를 더 늘리 β-carotene, VERWAAL et알다.규제의 표현 키 유전자와 preliminarily β를 설립-carotene 셀로 미세에 공장을 설립 했습니다.이들은 GGPP synthase와 tHMG1을 과발현 시켰으며, 궁극적으로 재조합 Saccharomyces cerevisiae가 생성되었다5. 9의 mg/g β-carotene[22]다.생합성 중 대사 플럭스 균형을 유지하고 제어 가능한 유전자 발현은 고부가가치 화학물질의 효율적인 생산을 위해 매우 중요합니다.장 et알다.가 FPP,에서 중요 한 대사 중간 β-carotene 생합성 경로, 노드를 주문 한 규제 로서, 하류 유속 조정, 전구체 공급을 강화, 성취하는 것과 경쟁을 억제 경로, β-carotene의 생산 376 mg/발효 [23]을 통해 L이다.

팬 et알다.대사을 최적화 하기 위한 전략이 여러 개 탄소 결합 경로, 신진대사의 공급을 향상시 킬 전구체 acetyl 문의, ergosterol합성 경로를 약화 시키고, 증가 β-carotene 용량이다.또한 구리이온이 유도된 GAL 시스템을 최적화하여 Saccharomyces cerevisiae의 바이오매스를 향상시켰다.여러 번의 전략 수정 후, theβ-carotene 역 가약 166 mg/L에 도달했으며, 이는 수정 전의 부모 균주보다 5배 높은 수치이다 [24].

Lipolytically수정 이스트는 자연 스럽게 할 수 없 유망 한 non-model 곰팡이이 합성 β-carotene 하지만 생산 할 수 있는 많은 양의 acetyl 축적에 문의 선임자들과 중요 한 지질 콘 텐 츠이다.이후 β-carotene은 지방 친화성 화합물, lipolytically 수정 효모의 과잉생산을에 대해 훌륭 한 호스트 역할을 할 β-carotene다.현재 다양한 유전자 조작 도구들이 개발되어 활용되고 있으며, 공학적 개조를 수행하는 연구자들이 증가하고 있다.징 et알다.첫 overexpressed 외인 유전자 Lipolytococcus 효모, 건설 한 β-carotene 생합성 경로, 그리고 rate-limiting 단계를 탈락을 통해 영국 측 경로에서 대사 공학 입니다.또한, 그들은 더욱 향상 된 긴장과의 지질 합성 용량을 증가의 복사 번호 생합성 경로,에서 핵심 유전자를 조작 한 변종을 취득 할 수 있는 효율적으로 synthesising β-carotene다.Fed-batch 발효는 2. 7의 g/L β-carotene다.결과들에 따르면 그 세포 내 증가 지질 홍보 β-carotene 합성, 유전자 및의 여러 복사 본을의 표현 키는 중요 한 전략 향상을 위한 대사 플럭스 [25]다.

가 오 강 한 기획자와 overexpressed 사용 된 β-carotene 생합성 경로, 결과에 β-carotene 수익률 wild-type 변종보다 100배나 높다.fed-batch 발효를 위해 최적화 된 매체을 사용하고 있고, 4 g/L의 β-carotene 생산 되었다.이 연구 Lipolysichlorella 음을 나타내는 이상적인 이종 합성 하기 위한 호스트의 β-carotene [26].라루드는 전통적인 대사공학 전략과 지질 합성과 유전자 복사 수를 향상시키기 위해 새로운 합성 생물학 도구를 결합했고, MVA 경로를 향한 대사 유동성을 증가시키기 위해 최적의 촉진제를 사용하여 현저히 개선되었습니다β-carotene 수율다.일괄 fed-batch 발효 결과 총 한 β-carotene 생산의 6. 5 g/L [27].대사공학적 전략과 fed-batch fermentation 공정의 통합은 리파제 분해효모를 이용한 카로티노이드 및 기타 테르페노이드의 합성에 대한 새로운 접근법을 제공한다.

4 최적화 전략

과 생명공학의 지속적인 혁신과 발전, β-carotene 신속하고 편리하게 할 수 있 heterologously synthesised 같은 미생물에서 Lipolytikus 효모 및 대사를 통해 대장균 공학 및 합성 생물학 기술,에 지속적인 발전으로 이어지는 β-carotene 생산이다.더 탐구 할 방법을 향상 시키기 위해 β-carotene 생산과 높은 경제적 이익을 달성, 혁신적인 대사 공학 전략은 여전히 필요 합니다.현재, 몇 가지 전략이 확인되었다강화 β-carotene 생산주로 NADPH와 ATP 공급, 아세틸 CoA 전구체 공급, 경쟁 경로 억제, 세포 분리, 향상된 지질 합성에 초점을 맞추고 있습니다 (그림 3).

4.1 NADPH 및 ATP 공급

ATP와 NADPH는 테르페노이드 생성에 중요한 두 개의 보조 인자이다.세포내의 이러한 보조인자들의 수준은 효소 반응에 참여하고 화학적 평형 상태를 조절하기 때문에 대사량을 결정한다.그러므로 세포내 보조인자의 수치를 조절하면 신진대사의 유동성을 증가시킬 수 있다β-carotene 합성다.NADPH는 생합성 대사에 필요한 등가물을 감소시키는 주된 공급자이며 산화 스트레스로부터 세포를 보호하는 필수적인 감소인자이다.또한 NADPH는 지질 분해 효모에서 지질 합성을 위한 주요 속도 제한 인자로 보고되었다 [38].

ATP는에서 결정적인 역할을 합니다biosynthesis, 대사 조절, 그리고 세포 성장 유지.세포 내의 ATP 공급을 조절하면 세포 대사를 효과적으로 조절할 수 있다 [39].MVA와 MEP 경로는 17가지 이상의 효소 반응과 조효소의 재생을 필요로 한다.MVA 경로를 통해 IPP 1분자를 합성하려면 NADPH 2분자와 ATP 3분자가 소모되며, MEP 경로는 NADPH 3분자와 ATP 2분자가 필요하다 [40].예를 들어, 효모에서 HMGR에 의한 HMG-CoA의 methyleneglycolate 로의 환원에는 NADPH 가 보조인자로 필요하다 [41].

그러므로, 몇몇 연구자들은 β을 개선하 려 시도하는 것에 의해-carotene 수율 NADPH 공급 증가하고 있다.Zhao et알다.건설 한 β-carotene 합성 경로 대장균과 고안 중앙 대사 모 듈에서 ATP와 NADPH 공급을 늘리기 위해을 향상 시키기 위해 β-carotene 생산이다.ATP에 관여하는 유전자를 규제하는 합성 한 후, 당의 인산염 경로 및 tricarboxylic 산 주기, β-carotene 생산 증가에 의해 21%, 17%, 각각 그리고 39위를 차지 했다.TCA 및 PPP 모 듈의 최적화 결합에 대해 시너지 효과를 전시 β-carotene 생산, 64% 증가를 초래 한β-carotene 수율 [18].

Liu 등은 Saccharomyces cerevisiae에서 NADPH의 잠재원을 조사하였다.세포질에 NADPH를 제공하는 펜토오스 인산경로 외에도 만니톨 주기, 말릭 애시다제, 알데히드 탈수소효소, 글루탐산 탈수소효소 모두 지질 생합성에 사용되는 사카로마이세스 세레비지애 (Saccharomyces cerevisiae)의 세포질 NADPH 생성에 참여한다 [42].카로티노이드 생합성 경로에서, 그전조 β-carotene 리코 펜은다.In Sun 외.' s 연구, 유전자의 표현인 코딩을 규제 함 으로써 α-ketoglutarate dehydrogenase, succinate dehydrogenase,와 중앙에 있는 Baldolase 대사 모 듈, NADPH과 ATP 공급은 증가, 76% 증가를 초래 한 리코 펜, 생산에 대한 통찰력을 제공 할 수 있는 β의 biosynthesis-carotene [43]다.

4.2전구체 아세틸 CoA의 공급을 증가시킨다

Lipolysable 효모가 이상적이다카로티노이드의 숙주합성, MVA 경로의 원료로 사용되는 높은 세포 내 아세틸 CoA 플럭스와 함께.적절한 아세틸 CoA 공급은 테르페노이드 화합물 합성에 결정적입니다.증가하는 세포 내 acetyl 문의 공급을 용이하게 향상 된 β-carotene 합성.세포질 내의 대부분의 아세틸-coa는 ATP에서 ACL (ATP citrate lyase)이 생성되고, ATP는 미토콘드리아에서 구연산염이 옥살로아세테이트와 아세틸-coa로 쪼개진다 [44].

세포질 내에 높은 수준의 아세틸-coa를 유지하려면 가수분해를 위해 구연산염이 지속적으로 미토콘드리아에서 흘러나와야 한다.Zhang 등은 Saccharomyces cerevisiae에서 AMPD를 과발현 시켜 isocitrate dehydrogenase의 활성을 억제하여 citrate와 acetyl-CoA 수치를 증가시켰다 [45].팬의 효과를 조사 et알다.세포 내 acetyl-CoA 공급 β-carotene 생산 건설에 의해 이종 PK/학부모 경로, 당의 인산 경로, 향상을 억제 하여 내생 glycolytic 경로로 미세 acetyl-CoA 공급을 늘리기 위해 궁극적으로 달성 한β-carotene의 수율 105.94 mg/Lengineered strain에서 control stra에서[24]에 비해 56%의 증가를 나타낸다.진 입국이 acetyl-CoA을 향상 시키기 위한 다른 전략을 채택 된 영국 측에 의해 경로 overexpressing TGL3, PXA1, MFE1, POT1, 그리고을 향상 시키기 위해 PEX10 지방산 β-oxidation, 약화를 복구하는 지질 합성 경로 acetyl 문의에서 지질, 그렇게 함 으로써 β에서 증가하고 있는 탄소 플럭스-carotene 합성 경로 [46]다.

지질 축적 증가 4.3

β-carotene은 주로 지방 친화성 혼합물이 물방울 세포막에 저장 되고 지질다.우세포막을 수정를 강화 하기 위해 막을 통해 대장균 공학에 저장 할 수 있는 능력을 β-carotene, 세포막을 수정하는 동안 형태론과 지질 합성 경로 보여주 시너지 효과, 2.9-fold 증가를 초래 한 β-carotene [28] 양보 했다.자 오et을 증가 시키는 것을 목표로하는 알다.β-carotene 축적을 강화 하기로 미세 대사 공학을 사용 함 으로써에 지질 콘 텐 츠, 디자인에서 다른 지질 신진대사 경로β-carotene-producing 변종, 어디의 overexpression sterol acyltransferases ARE1과 ARE2 β-carotene 생산 1.5-fold에 의해, 그리고 phospholipase의 삭제 PAH1, DPP1,고 두배로 LPP1 β-carotene 생산이다.결합이 두 전략 β에서 2.4-fold 증가의 결과로-carotene 생산과 비교하면 원래의 피로 [33]이다

Lipolytic 효모는 a천연 산유 효모, brewer&보다 더 적합하게 만듭니다#39; s 효모 생산에 소수 성 β-carotene다.하지만, 지질 합성과 이후 β-carotene 합성 acetyl 요구에 문의 전구체 로서,하는 방법을 조사하는 것이 필요하 플럭스의 분포를 균형을 달성 하기 위한 두 합성 경로 간 최적 상태를 더 증가 β-carotene 생산이다.LARROUDE et알다.lipid-producing을 구축 Saccharomyces 효모 부담을 주었고 높은 지질을 할 수 있 β-carotene 생산이다.제어 변종과 비교 했을 때, 지질 3.6-fold에 의해 증가, 축적과 β-carotene 생산의 8. 9 mg/g DCW 및 35. 7, mg/L)이었던 2.61-fold 및 1.93-fold 제어,보다 높은 각각 [27].

경쟁 경로의 하향 규제4.4

에β-carotene 생합성 경로, IPP와 DMAPP은 주요 대사 중간체 역할을 하며, 순차적으로 응축되어 GPP,FPP, GGPP를 생성합니다.이러한 중간체는 각종 효소들의 촉매 작용을 통해 모노테르펜, 세스키테르펜, 디테르펜, 트리테르펜, 사트라테르펜 [47]을 추가로 생성한다.대사 플럭스를리 디 렉 션을 향 해 β-carotene 합성, 그것은 종종 억제하는 데 필요 한 경쟁력 있는 통로, 쪽 반응을 억제하고 대상 제품 수율을 높 입니다.ergosterol 합성 경로는 경쟁적인 경로를 β-carotene 합성, 하지만 ergosterol은 세포막의 구성 요소, 및 부재의 심각 한 결점 [48] 성장으로이 어진다.

정상적인 세포 성장을 유지하기 위해 그리고증가 β-carotene 대사 플럭스, KILDEGAARD등은 천연 프로모터를 절단하거나 약한 프로모터를 사용함으로써 리파제 결함 효모에서 에르고스테롤 생합성을 하향 조절했다.의 β-carotene 역 가 2-2.5-fold에 의해 증가 결과 변종의, 가장 높은 역 가 관측 된 프로 모터 가 단축 되었을 때 50 bp, 도달 797.1 mg/L [49]이다.Fan 등은 squalene synthase의 n-말단에 해충 서열을 도입하여 단백질 안정성을 감소시키고 ergosterol 합성을 약화시켰다.그 결과리 디 렉 션의 도입이 해충 시퀀스 대사 플럭스 ergosterol 합성 경로에서 β-carotene 합성 경로, β이 심화 되 자-carotene [24] 양보 했다.Cao는 ergosterol 생합성을 약화시키기 위해 native promoter를 약한 HXT1 promoter로 대체하여 ERG9발현을 하향조절함으로써 ergosterol 생합성을 약화시키는 유사한 전략을 채택하였다 [44].

구분 전략 4.5

구획화 전략은 또한 경쟁 경로로 대사 유동성의 이동을 억제하여 미생물 세포 공장의 생산 효율을 높이기 위한 효과적인 조절 전략으로 작용할 수 있다 [50].구획화란 세포 내의 여러 기능 영역을 서로 다른 구획으로 나누는 것을 말하는데, 주로 미토콘드리아, 과산화소, 소포체, 골기 기구 [51] 등이 있다.각 세포구획은 독특한 대사산물, 효소, 보조인자로 된 물리화학적 환경을 보유하고 있다.세포구획화를 활용하면 테르페노이드 화합물의 합성을 촉진할 수 있다 [52].세포 내 조립 경로는 내인성 경로와 외인성 경로 사이의 간섭을 줄이고, 특정 공간에서의 기질과 효소의 농도를 증가시켜 반응 속도와 생산 효율을 높일 수 있다.또한, 구획 내에서 주요 대사 중간체를 제한하여 경쟁 경로로 이동하는 것을 억제할 수 있습니다.미토콘드리아는 반자율적인 세포소기관이다.MATSUMOTO는 Saccharomyces cerevisiae에서 카로티노이드 생성을 향상시키기 위해 카로티노이드 합성 경로를 미토콘드리아로의 국소화를 시도했다.strain에 비해카로티노이드를 표현합니다세포질에서의 합성 경로는, 분리 합성 [53]을 사용하여 카로티노이드 생성이 13.82배 증가하였다.

이소프렌은 a전구체를 β-carotene합성.Lv는 아세틸 CoA를 포괄적으로 활용하기 위해 미토콘드리아 공학과 세포질 공학을 결합했다.미토콘드리아나 세포질 공학만을 이용하는 재조합 균주에 비해 아이소프렌 수준은 각각 2.1배, 1.6배 증가하였다.이 전략에서 isoprene 수준 향상을 위한 효과적인 방법 제공 효모, 그리고 적용 되는 수도 있 β-carotene biosynthesis [54].β-Carotene과 astaxanthin은 둘다 카로 티 노이 드이다.Ma는 아스타잔틴 합성 경로를 각각 리포솜, 소포체, 과옥시좀으로 국소시켰다.streptozotoc에서유도 경로에 비하면, 합성 경로를 localising subcellular세포기관, 수율이 상당히 증가 뿐만 아니라 가속의 변환 β-carotene 현저하게 astaxanth에서하지만 또한 intermediates의 축적을 줄이다.또한, 아스타잔틴 합성 경로를 소포체, 과소포체 및 소포체로 동시에 정위시킴으로써, 가장 높은 858 mg/L의 아스타잔틴 수율을 얻을 수 있었다 [55].

요약 및 전망 5

β-carotene에서 널리 적용 되 었식품, 영양보충제, 제약, 화장품 산업다.최근 몇 년 간, 그것의 시장 수요는 계속 해서, 확장의 설립을 효율적인, 환경 친화 적이고 지속가능 한, 생산 방법을 β-carotene 매우 중요하다.신진대사 공학의 신속 한 개발과 합성 생물학, 뿐만 아니라 지속적인 심층 연구 생합성 경로로, 미생 물의 셀 공장을 건설 β-carotene 생산은 가장 유망 한 생산 방법 중 하나 가 되었습니다.이 종이의 방법에 대한 개요를 제공 synthesising β-carotene 미생물을 이용 하여, 진행에 초점을 맞추어 최근 연구 및 일반적으로 사용 되는 사항 대사 공학 전략이다.β를 늘리 려는 현재, 전략-carotene 생산 공급하는 주로 포함 전구체 acetyl 문의, 제공 cofactors ATP와 같은 NADPH,지질, 축적을 강화 downregulating 경쟁력 있는 길과 분리 전략이다.MVA 및 MEP 경로의 최적화는 IPP 플럭스를 증가시키기 위한 일반적인 방법이다.외에 앞서 언급 한 대사 공학 전략 도입을 향상 시키기 위해 경로 가 모국 전구체 공급 상당히 β에 영향을 줄 수 있는 생산-carotene이다.예를 들어, 리파제 열화효모에 인공 이소펜테놀 이용경로 (IUP)를 도입함으로써 IPP와 DMAPP의 수치가 15.7배 증가하여 [40] 카로티노이드 생산이 크게 증가하였다.그러므로, 미생물의 사용에 대한 β-carotene 생산 미래 발전에 커다 란 잠재력을 가지고 있다.

비록의 biosynthesis에 상당 한 연구에서 진전이 있었β-carotene, 미생 물의 세포의 건설 공장은 복잡하고 multifactorial 도전로 남아 있다.그 결과, thebiosynthesis의 β-carotene여전히 수많은 문제에 직면해 있으며, 거의 가공된 미생물은 산업 규모의 생산을 달성할 수 없습니다.생명공학 방법에서 더 많은 개혁과 혁신이 필요하다.예를 들어, 미생물의 유전적 특성은 생산에 응용을 제한한다.생합성 경로를 구성할 때, 일부 미생물 공정이 유전체 통합에 초점을 두는 반면, 대부분의 미생물은 여전히 플라스미드 발현에 의존하며, 이는 종종 항생제를 광범위하게 사용해야하고 대사 부담을 증가시킨다.또한 플라스미드 발현은 유전적으로 불안정하기 쉽다.따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서는 CRISPR/Cas9 유전자 편집 시스템과 같은보다 효율적이고 빠른 유전자 조작 도구가 필요하다.SCHWARTZ는 Lipolytococcus lactis [56]의 게놈으로의 표적 및 표적 유전자의 label-free 통합을 위한 CRISPR/cas9기반 도구를 개발하였다.

효소는 세포공장을 건설하는데 결정적인 역할을 한다.다양한 공급원의 효소들은 숙주에서 이형적으로 발현될 때 다양한 발현 수준을 나타낼 수 있어 신중한 효소원 선택이나 표적 효소 변형이 필요하다.강 교수는 RIAD-RIDD assembly를 활용해 Idi-CrtE 다중효소 복합체를 만들어 대사 경로를 연결시켜 카로티노이드의 플flux를 크게 증가시켰다 [57].β-carotene은 필요 한 세포 내 제품 셀 동안 용해과 유기 용매 추출 추출.게다가, β-carotene 빛과 열,를하는 것이 매우 불안정하고 민감 한 산화 저하 되기 쉽다.따라서, 세포 파괴 방법의 선택은 상당히 영향을 미칩니다β-carotene 추출효율성, 그 안정성을 보장하기 위해 적절한 추출 방법의 신중한 선택이 필요합니다.추가 연구로 β-carotene 추출 과정이 필요 합니다.이 러한 도전을 해결 산업 β의 응용을 가속화-carotene과 다른 카로 티 노이 드의 생산을 위해 대한 통찰력을 제공 한다.

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