미생물 발효법에 의한 Astaxanthin의 합성에 관한 연구

Astaxanthin 은한orange-red keto-type carotenoid와이molecular formul한C40H52O4 그리고이chemical name 3,3'-dihydroxy-4, 4'-dione-beta, beta'-carotene [1-2]이다다.아스타잔틴은 물에 녹지 않고 지용성으로 벤젠, 클로로포름, 아세톤, 이황화탄소 등의 유기용매에 녹으며 메탄올, 에탄올 [3]등의 극성 유기용매에 약간 녹는다.아스타잔틴 (Astaxanthin)은 8개의 아이소프렌 단위가 공액 이중결합으로 연결되어 구성된 사염화탄소로, [4]공액 이중결합 말단에 불포화 하이드록시기와 케톤기 가 있다.따라서, astaxanthin은 다음과 같은 다양한 형태로 존재한다 (그림 1):levorotary (3S,3'S), dextrorotary (3R,3'R)과 라세미 (3S,3' R) [5].그 중, 이(3S,3'S) 이성질체는 자연에서 가장 흔한 astaxanthin형성물이며 또한 항산화 활성이 가장 높은 것으로 (3R,3'R)과 (3S,3'R)의 변형 [6].

Astaxanthin은 응용 가치가 매우 높습니다.그것의 긴 공액 폴리엔 체인은 singlet산소를 차단하고 활성산소를 제거하며 세포 활동을 강화하고 인체 지질을 보호하여 면역력과 항노화를 어느 정도 향상시킬 수 있습니다.일부 연구에서는 astaxanthin's의 항산화 능력은 비타민 C의 6,000배로서 자연에서 보고된 가장 강력한 항산화제이다 [7-9].동시에 고혈압, 암, 비만, 심혈관 질환, 염증성 질환, 뼈 질환, 피부 질환 등을 포함한 대부분의 산화 스트레스와 관련 염증을 예방할 수 있으므로 [10] 다표적 약물 제제로 사용할 수 있다.예를 들어, 리그넬 등 [11]은 아스타탄틴 함유 약물을 경구 투여하면 근력과 운동 지구력을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었다.

Astaxanth에서is also 한자연coloring agent th에서exists 에서다른종에서different configurations, giving 이body 한unique col또는이다.The red col또는의연어me에서is often 한visual treat that makes it easy 을judge 이freshness 그리고flavor 의이food. In addition, astaxanthinc한also be used 로한additive 에서poultry feed. Studies have shown that adding 10 mg/kg of자연 astaxanth에서을이feed can effectively deposit it 에서the meat 의ducks, giving the beaks 그리고feet의live ducks 한healthy golden color. It can also improve the 산화stability 의muscle lipids 그리고make them more nutritious [12].

Astaxanthin은 또한 환경 식물에 보호 역할을 합니다.예를 들어 아스타잔틴 스프레이는 포도 잎의 광합성을 높이고 스트레스 저항력을 향상시키며 색을 바꿀 수 있다.그 결과, 아스타잔틴은 현재 의약품, 화장품, 식품, 사료첨가제, 보건품, 농업 등의 분야에서 응용분야가 증가하고 있다 (그림 2) [13-14].세계 카로티노이드 시장은 2017년 15억 달러로 평가되었으며 2022년에는 20억 달러에 이를 것으로 예상된다 [15].카로티노이드 두 번째로 큰 아스타잔틴의 세계 시장 가치는 2027년까지 34억 달러 가까이 성장할 것으로 예상된다 [16].

현재 아스타잔틴을 생산하는 주요 방법에는 자연 추출, 화학 합성 및 미생물 발효가 있다.자연추출에는 바닷가재,게 등의 갑각류 폐기물에서 아스타잔틴을 추출하는 방법이 있으나, 수율이 극히 낮고, 공정이 복잡하고 비용이 많이 들며, 추출과정에서 오염이 발생하기 쉬워 경제성이 없다 [17~18].화학 합성법은 생산 주기가 길고 공정이 복잡하다 [19].합성의 산물은 아스타잔틴이 다양한 구성의 혼합물이며 각종 부산물 [20]이 축적된다.생물체에서의 흡수율과 이용률은 자연적으로 추출된 아스타잔틴보다 낮기 때문에 [19] 사람이 사용할 수 있도록 승인되지 않았다.

합성생물학 기술이 지속적으로 발전하면서 미생물 발효를 이용해 천연물을 생산하는 기술이 큰 가능성을 보이고 있다 [21~23].미생물을 이용하여 생산되는 아스타잔틴은 환경친화적이며 부산물이 거의 없는 [16] 명확한 구성의 장점이 있다.그러므로, 이것은 아스타잔틴 생산법의 매우 유망한 방법이다 [18, 24].

Microorganisms currently used 을fermentativeastaxanthin의 합성 include algae, bacteria, yeast, etc. [25]. This paper discusses the latest progress 에서the 생산의astaxanthin에 의해Haematococcuspluvialis, Escherichiacoli, Xanthophyllomycesdendrorhous, Yarrowialipolytica그리고other microorganisms, 그리고summarizes the 전략을screening 그리고대사공학의astaxanthin-생산strains 을increase astaxanthin생산그리고reduce costs. Yarrowialipolytica그리고other microorganisms to produce astaxanthin, the latest developments are discussed, 그리고strategies 을the selecti에그리고대사공학의astaxanthin-producingstrains to increase astaxanthin생산그리고reduce costs are summarized.

astaxanthin의 생합성 경로 1

아스타잔틴의 생합성은 일반적으로 세 단계로 나눌 수 있다 [10]:

첫 번째 단계는 중심탄소대사단계로 생물체가 포도당과 다른 탄소원을 이용하여 엠덴-마이어호프-파르나스 (EMP) 경로를 통해 피루브산과 아실-coa를 생성한다.이들은 테르펜 물질의 합성을위한 전구체로 mevalonate 경로 (MVA)와 methylerythritol phosphate (MEP) 경로로 테르펜 합성의 전구체로 이동된다.

MVA와 MEP는 아스타잔틴 합성 경로의 두 번째 단계이다 (그림 3). MV한경로는 테르펜 합성에 필요한 전구체를 제공할 뿐만 아니라 세포 성장에 필수적인 물질의 전구체도 제공한다.acetyl co효소A에서 시작하여 isopentenyl pyrophosphate (IPP)는 6단계의 효소반응으로 생성되며 isopentenyl diphosphate isomerase (나는DI)는 IPP를 dimethylallylpyrophosphate (DMAPP)로 이성질화하고 마지막으로 IPP와 DMAPP을 전구체로 사용하여 테르페노이드의 전구체를 합성한다.MEP경로는 천연 테르페노이드의 전구체를 합성하기 위한 또 다른 공급 경로이며, 박테리아, 곰팡이, 식물 및 조류에서 널리 발견된다.이 경로는 피루브산으로부터 시작되며, DMAPP은 7가지 효소 반응에서 생성된다.이후 DMAPP은 IDI에 의해 IPP로 이성화되며, 마지막으로 IPP와 DMAPP은 테르페노이드 전구체를 합성하기 위한 전구체로 사용된다.

The third stage is the astaxanthin합성stage, 에서which IPP그리고DMAPP are converted to geranylgeranyl pyrophosphate (GPP) 에 의해the acti에의the 효소farnesyl diphosphate synthase (ispA). GP P continues to be 생산에 의해ispA.Farnesyl pyrophosphate (FPP) is produced 에 의해farnesyl pyrophosphate synthase (CrtE), 그리고geranylgeranyl diphosphate (GGPP) is produced 에 의해geranylgeranyl diphosphate synthase (CrtE). ). GGPP is converted into lycopene 에 의해the action 의the octahydro-lycopene synthase/cyclase (phytoene synthase, lycopene cyclase) CrtYB그리고the octahydro-lycopene desaturase (phytoene desaturase) CrtI. Lycopene is converted into β-carotene 에 의해the action 의CrtYB.

사이의 구조적 차이 β-간의 구조적 차이 β-carotene과 수산기에 astaxanthin거짓말 및 carbonyl 그룹에 탄소의 양끝 체인점의 링을.그러므로, β 변환의 과정을 astaxanthin-carotene은 수산기를 추가하고의 과정이 carbonyl 그룹의 끝까지 β-carotene분자는 반지다.그러나, 다른 유기체의 합성 경로는 다를 수 있다.예를들어, Pantoea에서, astaxanthin은 주로 합성을 통해 β-carotenoidketolase(CrtW)와 β-carotene hydroxylase(CrtZ);Haematococcus에서 pluvialis, astaxanthin은 주로 합성에 의해 β-carotenoid ketolase (BKT)와 β-carotene hydroxylase (CrtR);효모적색분에서는 주로 Cr tR과 CrtS에 의해 아스타잔틴이 합성된다.일부 다른에서 조작 된 효모, astaxanthin은 또한 합성 되어 표현 함 으로써 β-carotene ketolase와 β-carotene hydroxylase다.Tagetes erecta은 현재 생산 할 수 있는 유일한 식물 astaxanthin, 노을 표현 함 으로써 합성 되는 드 4-hydroxy-β

2 Astaxanth에서합성 섀시 셀

현재 발효과정을 조절하는 것과 균주를 변형시키는 대사공학은 여전히 미생물의 아스타잔틴 합성을 향상시키기 위한 전략들이 일반적으로 사용되고 있다.예를 들어, 발효 조건을 최적화하여 미생물 astaxanthin생성을 개선하는 ㉮;② MV한및 MEP 대사 경로 강화를 통한 전구물질 공급 강화;다시 말해 다른 출처로부터 주요 유전자의 발현을 위한 스크리닝;

④ 모듈식 공학에 연결하는 표현 유전자와 번호를 복사 증가 시키고,

⑤ 현지화 다른 subcellular세포기관 등 입니다.

해조. 1

Many algae 에서nature can produce astaxanthin, such 로Haematococcus pluvialis, Chlamydomonas, Acetabularia, Euglena, etc. [26]. Haematococcus pluvialisis 한freshwater single-celled 녹색alga that can reach 5% astaxanthincontent 의the 셀dry weight. It is the ma에서alga 을astaxanthinproduction, 그리고the astaxanthinproduced 에 의해Haematococcus pluvialisis the most antioxidant-rich levo (3S,3'S) 구성 [27].그러나, Haematococcus pluvialis는 성장 주기가 길고, 재배 요구량이 많으며, 빛이 필요하고, astaxanthin은 두꺼운 벽 포자에서 발견되어 추출률이 낮고, 비용이 많이 들며, 지속성이 떨어진다 [19, 28].

astaxanthin의 Haematococcus pluvialis 생산의 높은 비용은 대규모 적용을 제한한다.따라서 헤마토코쿠스 플루비알리스 (Haematococcus pluvialis)에 함유된 아스타잔틴 (astaxanthin) 함량을 높이고 생산비용을 절감하여 상용화를 달성하기 위한 새로운 공정 개발이 시급하다.헤마토코쿠스 플루비알리스 (Haematococcus pluvialis)의 성장에는 빛이 필요하지만 광생물반응기 내부의 불균등한 광도 분포와 혼합으로 인해 조류는 빛과 어두운 순환의 영향을 받게 되고, 이는 바이오매스와 2차 대사산물의 생성에 영향을 미치게 된다.Ranjbar 등 [29]은 공수 증강 광생물반응기를 설계하였는데, 기존의 생물반응기에 비해 액체순환에보다 규칙적인 흐름패턴을 가지고 있어보다 안정적인 밝은 어두운 순환,보다 균일한 액체혼합, 2차 대사산물의 생성 증가, Haematococcus pluvialis의 astaxanthin생성이 크게 증가하였다.

상기 전략 외에도 일부 외인성 물질을 첨가하는 것도 아스타잔틴 생성을 증가시킬 수 있는 실현 가능한 방법이다.Wang 등은 rac-GR24 (합성 식물 호르몬 유사체)를 첨가하면 Haematococcus pluvialis와 astaxanthin의 축적이 생산하는 바이오매스를 효과적으로 증가시킬 수 있음을 발견하였다.Rac-GR24는 식물의 광합성을 증가시키고 탄수화물 합성에 있어 CO2의 이용률을 증가시켜 바이오매스 축적을 증가시킬 수 있다.또한 NADPH와 과산화효소의 과잉생성을 촉진하여 반응성 산소종에 의한 손상을 감소시킨다.또한 Haematococcus pluvialis의 rac-GR24 처리는 지방산 생합성 활성과 astaxanthin에스테르화 경로를 변화시켜 astaxanthin의 축적을 증가시킨다.

Extracting astaxanth에서에서algae is the biggest challenge because the hard 그리고thick 셀walls 해조의increase the mechanical 그리고chemical resistance 의the cells. Traditional 추출methods are not suit할 수 있을extracting astaxanth에서에서algae. Therefore, Huang Wencan et알다.[31]proposed a new 방법을extracting astaxanthin에서Haematococcus pluvialis 사용a switchable hydrophilic solvent. Dimethylamino cyclohexane (DMCHA) is a switchable hydrophilic solvent 와low volatility 그리고solubility. Using it, without the need 을distillation, the extraction rate 의astaxanthin에서Haematococcus pluvialis can reach 87.2% 에 의해simply adding water 그리고CO2 at the same time.

Haematococcus pluvialis is rich in 자연astaxanthin, unsaturated 지방이 많은acids, etc., 그리고has 높은research 그리고utilization value [32]. At the same time, the dem그리고을natural astaxanth에서에서domestic 그리고foreign markets is increasing, 그리고의development 잠재적인is huge. However, there are still several problems that need to be explored 그리고solved: ① The conversion 의the intermediate metabolites 그리고the 표현regulation 의키효소involved 에서the 합성astaxanthin의에 의해Haematococcus pluvialis need to be further explored; ② Due to the complex 셀wall structure 의Haematococcus pluvialis, the extraction yield is low, 그리고new extraction processes still need to be developed 에서the future to reduce 생산costs.

2. 2 이스트

자연에서 자연적으로 아스타잔틴을 생산하는 주요 효모로는 Rhodotorula rubra, Rhodotorula glutinis, R.benthica 등이 있다.합성생물학의 발달로 유전공학을 바탕으로 만들어진 공학효모도 야로위아 리폴리티카, 사카로마이세스 세레비지애 (Saccharomycescerevisiae), 클루이베로마이세스 마르시아누스 (Kluyveromycesmarxianus)와 같은 아스타잔틴 (astaxanthin)을 생산할 수 있다.효모는 조류나 다른 미생물에 비해 아스타잔틴 생성을 위한 다양한 기질원을 가지고 있고, 성장이 빠르고, 발효주기가 짧으며, 비교적 성숙된 유전자 변형 도구를 가지고 있다.따라서 효모는 현재 astaxanthin의 산업적 생산을 위한 가장 유망한 섀시 셀 중 하나이다.

적섬유효모 2.2.1

적색 효모는 헤마토코쿠스 플러비알리스 (Haematococcus pluvialis)와 함께 아스타잔틴 (astaxanthin)의 산업적 생산에 자연계에서 가장 적합한 미생물로 여겨진다 [33-34].다양한 당을 탄소원으로 사용하여 아스타잔틴을 발효 및 합성할 수 있으며 [35], 세포가 빠르게 성장하여 생장 주기가 짧아 고밀도 재배가 가능하고 생산 비용을 대폭 절감할 수 있다 [34, 36].동시에 생성된 아스타잔틴은 (3R,3'R) 구성이며 인체에 쉽게 흡수된다.따라서, Rhodotorula는 astaxanthin합성을 위한 이상적인 섀시 세포 중 하나가되었습니다.표 1은 Rhodotorula에 의한 astaxanthin생성의 최신 진전을 보여준다.

발효조건의 최적화는 아스타잔틴 생성을 증대시키는 가장 쉽고 직접적인 방법이다.이 조건들 중에서 pH는 적분파 효모세포의 성장과 아스타잔틴 축적에 모두 영향을 미친다.일부 연구에 따르면 적화 효모 세포 성장을 위한 최적 초기 pH는 6.0, 아스타잔틴 형성을 위한 최적 pH는 4.0, 아스타잔틴 축적을 위한 최적 pH는 5.0 이라고 한다 [37].따라서 pH-modulation 전략을 이용하여 Rhodotorula glutinis의 astaxanthin생성은 일정한 ph에서 발효에 비해 24.1% 증가되었으며, astaxanthin합성 경로는 복잡하고 다양한 기질과 전구체의 참여가 필요하다.따라서 발효과정 중에 특정 물질을 첨가하면 아스타잔틴 생합성도 촉진시킬 수 있다.

예를 들어, 양하오이 등 [42]은 적색 효모를 섀시 세포로 사용하여 퓨린, 피리미딘, 아미노산 합성 및 당화 경로의 하향조절은 모두 astaxanth에서생합성에 기여하며, 지질 대사 경로의 상향조절은 astaxanth에서축적에 도움을 주는 것을 확인하였다.나트륨 protoporphyrin의 첨가는 아미노산 대사 경로를 억제하고 astaxanth에서생성을 19.2% 증가 시킬 수있다;멜라토닌을 첨가하면 지질대사를 촉진하고 아스타잔틴 생성을 30.3% 증가시킬 수 있다.

Ru Yi 등 41)은 대사 플럭스 분석을 통해 에탄올이 로다피아 효모의 대사에서 피루브산과 아세틸 코엔자임 A의 함량을 증가시켜 아스타잔틴 합성 경로로의 플럭스를 2.3배 증가시켜 아스타잔틴 합성을 촉진시킬 수 있음을 발견하였다.동시에,의 신진대사의 노드 α 산과 5-phosphoribosyl-ketoglutaric pyrophosphate astaxanth에서합성 경로에 있는 규제 된다.그것은 그것의 추가 발견 되었0. 5 g/Lα-ketoglutaric 산성 문화 중간에 붉은 파이프 효모 세포의 성장을 늘 릴 수 있 것으로 0. 4 g/L.3 g/L의 글루타민산 첨가는 astaxanthin의 생성을 67.9 mg/L로 증가시켰으며, 이는 대조군의 1.7배에 해당하는 플럭스였다.

효모가 신진대사 능력이 강하고 단당류, 이당류, 다당류, 유기산 등의 작은 분자를 이용할 수 있을 뿐만 아니라 단순한 질소원과 복잡한 유기혼합물도 이용할 수 있다는 것은 잘 알려져 있다.산업 폐기물의 저렴한 기판을 사용하면 배가스 및 달콤한 수수 배가스 (SSB)와 같은 아스타잔틴 생산 비용을 효과적으로 줄일 수 있습니다.좡위안 등 38명은 상온에서 적섬유효모 균주와 자외선 돌연변이 발생에 대한 연구를 수행하였다.육종 후 얻어진 돌연변이 균주는 사탕수수 배지 가수분해물에서 22 °C,220 r/min에서 96 h 동안 발효시켰으며, 카로티노이드 농도는 88.57 mg/L에 달했다.초음파와 셀룰라아제를 이용한 세포벽 파괴 추가 후 아스타잔틴 수율은 96.01%에 달했다.스토클로사 등 [39]은 아스타잔틴을 생산하기 위해 로다프 효모를 배양하기 위해 단수수 배지를 탄소원으로 사용하였다.그러나 SSB의 페놀화합물이 Rhodaff 효모균을 억제하기 때문에 SSB에 의한 적색효모균쌀의 억제는 SSB를 활성탄 및 락케이스로 처리함으로써 완화되었으며, 최종적으로 세균의 세포건조중량은 15.6 g/L에서 23.6 g/L로 증가되었으며, astaxanthin생성은 9.55 mg/L에서 48.9 mg/L로 증가되었다.

합성생물학에서 표적 산물의 함량을 증가시키는 가장 일반적인 수단은 여전히 돌연변이 및 대사공학을 통해서이다.가젤 등 (40)은 무작위 돌연변이 발생법을 통해 아스타잔틴 함량이 높은 적색 효모 균주를 얻었다.이를 바탕으로 lycopene cyclase 유전자인 crtYB와 astaxanthin합성유전자인 ASY를 발현시킴으로써 astaxanth에서합성의 flux를 더욱 증가시켰다.최종적으로 발효조 증폭 실험을 통하여 최대 astaxanth에서함량은 9.7 mg/g DCW에 도달하였다.또 다른 연구에서는 에르고스테롤 합성 경로가 피드백되어 MV한경로를 억제할 수 있음을 보여주었다.따라서 에르고스테롤 합성에 관여하는 유전자를 삭제하는 것은 테르펜 생산 향상을 위한 효과적인 전략이다.요마모토 등 [43]은 에르고스테롤 생합성에 관여하는 C-22 sterol desaturase를 encoding 하는 두 개의 CYP61 유전자를 순차적으로 삭제한 후 발효를 통해 재조합 적색효모 Rhodotorula glutinis의 아스타잔틴 생성이 1.4배 증가됨을 확인하였다.

적색효모는 자연적으로 아스타잔틴을 생산하는 섀시세포의 하나이지만 야생형 적색효모의 생산량이 낮고 분해되기 쉬우므로 대규모 공업생산을 달성하는데는 아직 약간의 어려움이 있다.따라서 astaxanthin-고수익 균주의 선발이 현재 연구의 주된 목표가 되었다.향후 고생산성 균주를 선발하기 위한 돌연변이 생성, 대사공학, 배양액 제조법 및 발효조건의 최적화와 함께 아스타잔틴의 생산량을 더욱 증가시킬 수 있다.

사카로마이세스 세르비지애 (Saccharomyces cerevisiae) 2.2.2

Saccharomyces cerevisiae는 전체 게놈 염기서열을 거친 최초의 진핵 미생물이다.유전자 조작이 쉽고 유전자 발현 조절 메커니즘이 명확하며 고밀도 발효 기술이 성숙돼 있다.특히, 최근에는 Saccharomyces cerevisiae의 경로 조립에 적합한 일련의 도구들이 개발되면서 [44]합성생물학 연구에 이상적인 섀시세포로 주목받고 있다.그러나 많은 가공된 효모처럼 야생 형태의 Saccharomyces cerevisiae는 아스타잔틴을 합성할 수 없다.astaxanthin합성을 위해서는 astaxanth에서합성을 위한 주요 유전자를 도입하여 유전자 조작을 할 필요가 있다.그리고 합성된 아스타잔틴은 대부분 (3S,3' S) 구성이 있습니다.표 2는 Saccharomyces cerevisiae에 의한 astaxanthin생성의 최신 진전을 보여준다.

종별 crtZ와 crtW는 Saccharomyces cerevisiae에 의한 astaxanthin의 합성에 큰 영향을 미치므로 차대세포와 외인성 astaxanthin합성 유전자의 호환성이 특히 중요하다.Wang Ruizhao 등 45)은 Saccharomyces cerevisiae를 조합하여 각각 다른 종의 crtZ와 crtW를 발현하였고, 30개의 조합에서 Brevundimonas vesicularis 로부터 crtW와 Alcali유전자로부터 crtZ를 선발하였고, 그 결과 제조된 균주 SyBE-Sc118076는까지 생산하였다81.0 mg/L 아스타잔틴다.주요 유전자의 돌연변이를 선별하는 것도 아스타잔틴 생성을 늘리는 효과적인 방법이다.

례를 들면 융합효소를 건설하면 중간대사산물의 축적을 효과적으로 감소시킬수 있다.링커를 이용하여 crtW와 crtZ를 융합한 결과, 방향성 진화를 통해 아스타잔틴 생성이 증가한 9개의 융합 돌연변이를 얻었다.이러한 우성 돌연변이체를 조합한 결과 대조구 대비 astaxanthin 함량이 3.8배 높은 astaxanthin 효모 균주 L95S+1206L를 얻을 수 있었다 [49-50].

In order to improve the efficiency 의β-carotene conversion to astaxanthin, Zhou Pingping et알다.[46]obtained superior 이스트mutants 의crtZ그리고crtW을 통해directed coevolution, 그리고at the same time introduced a Gal4M9-based temperature-responsive regulatory 시스템[51], decoupling astaxanthin 합성에서cell growth coupling, i.e., the temperature was kept at 30 °Cin the first phase to allow rapid cell growth; when the 세포entered the log phase, the culture temperature was changed to 24 °Cto promote astaxanthin synthesis; finally, 235 mg/L astaxanthin was synthesized through two-phase high-density fermentation.

astaxanthin은 지용성이기 때문에 Saccharomyces cerevisiae와 같은 모델 미생물의 제한된 지질 저장 능력과 충돌한다 [52].따라서 지질 합성을 촉진하여 astaxanthin 함량을 증가시켜 지질 방울을 확장하고 astaxanthin 합성에 더 많은 저장 공간을 제공할 수 있다.따라서 이명 등은 3기능 CRISPR시스템을 이용하여 지질대사와 관련된 유전자 라이브러리를 걸러내고 [47, 53], opi3와 hrd1의 발현 수준을 적당히 상향 조절하여 지질 합성을 촉진하였다.crtZ와 crtW의 발현 균형을 맞춘 후 astaxanthin의 함량이 10.21 mg/g DCW로 증가되었다.마지막으로 지질합성의 공간적 조절과 온도반응의 시간적 조절을 병행하여 fed-batch 발효에서 446.4 mg/L astaxanthin을 합성하였다.

Lipolytic효모 2.2.3

Lipolytic 효모는 가장 널리 연구되고 사용되는 비전통 효모들 중 하나이다.lipolytic 효모가 생산하는 Astaxanthin은 대부분 (3S, 3' S) 구성이 있습니다.lipolytic 효모는 기존의 효모 Saccharomyces cerevisiae와 비교하여 다양한 독특한 생화학적 및 대사특성을 가지고 있다.전형적인 II 형 효모균으로 기본적으로 세포에 독성인 에탄올을 생성하지 않는 유산소 세균이다 [54].또한 효율적인 아세틸 코엔자임 A 대사 경로와 세포 내 높은 트리카복실산 사이클 플럭스를 가지고 있으며 지질의 축적은 77%에 달할 수 있습니다.이것은 유기산, 지질 및 그 유도체의 공업생산에 이상적이다 [55~57].또한 Y. lipolytica는 낮은 pH와 높은 삼투압에서 자랄 수 있으며, 당, 탄화수소, 알코올, 지질 등과 같은 다양한 탄소원, 단백질 및 소수성 기질을 활용할 수 있다.그러므로 성장환경면에서 엄격하지 않고 여러가지 환경조건하에서 성장할수 있어 산업응용전망이 좋다 [58].표 3은 Y. lipolytica에 의한 astaxanthin 생산의 최신 진전을 보여준다.

서로 다른 원천에서 얻은 astaxanthin 생합성 유전자는 여전히 Y. lipolytica에서 astaxanthin 생성에 영향을 미치는 주요 인자이다.Kildegaard et알다.[59]에서 crtWParacoccussp를 표명 했다. N81106과 crtZp. ananatis에서 당분간 β-carotene-producing y lipolytica변종 및 최적화 된의 복사 번호 관련 유전자 복사 가 최적화 되었고 3. 5 mg/g DCW (54. 6 mg/L) astaxanthin 입수 되었다.crtW과 또 다른 연구에서, 세 쌍의 다른 소식통에서 crtZ표명이었다면, 그리고 그것은 HpCrtW다고 지적 했었고 HpCrtZ에서 Haematococcus pluvialis로 개종 해에서 가장 힘이 센 활동었β-carotene을 astaxanthin [65]다.RIAD-RIDDshort peptide [62]에 의한 관련 유전자를 모듈식으로 조립하고, 동시에 copy 수를 20개로 늘린 것을 통해 재조합 lipase 효모의 astaxanthin 생산은 보충제를 이용한 회분식 배양 조건에서 3.3 g/L에 도달하였으며, 이는 현재까지 미생물 차체에서 astaxanthin 합성의 최고 수준이라고 할 수 있다.

미생물에서 부가가치가 높은 화학물질을 생산하기 위한 대부분의 대사 조절 방법은 세포질을 반응 용기로 사용한다 [66].그러나 효소와 기질의 분리 및 대사 혼선은 세포질에서 표적 화합물의 효과적인 합성을 방해하는 경우가 많다.진핵세포에서 세포소기관의 지역화는 이러한 병목현상에 대한 해결책을 제공한다.예를들어, Ma Yongshuo et알다.[60]뿐만 아니라 가속의 변환 β-carotene을 astaxanthin, 하지만 또한 노의 축적 크게 감소시 켰 드 intermediates astaxanthin 카운터에 의해 합성 경로 소포 체와 peroxisomes에서, 그렇게 함 으로써 141번 astaxanthin 생산 증가하고 있다.fed-batch fermentation에서 858 mg/L astaxanthin을 합성할 수 있다.

아스타잔틴은 지용성 테르펜 화합물로서 강한 소수성으로 인해 생물학적 이용성이 낮다.외부 유상을 첨가하면 아스타잔틴의 용해를 촉진하고 결정의 형성을 방지하여 아스타잔틴의 수율을 높일 수 있다.Yuzbasheva 등 61)은 모듈러 공학적 접근법과 융합기술을 이용하여 astaxanthin이 587.3 mg/L 생성되는 재조합 lipase-deficient Saccharomyces cerevisiae균주를 제작하였으며, oil overlay를 첨가하면 astaxanthin의 생산량은 973.4 mg/L까지 증가시킬 수 있었다.

Glycosylation은 또한 유의하게 증가시킬 수 있습니다astaxanthin의 물 용해도, 그럼으로써 그것의 생물학적 이용 가능성, 빛의 안정성 및 생물학적 활성을 향상시킨다 [67-68].첸 징 et알다.[63]plant-derived을 구축 astaxanthin-producing 변종을 표현 함 으로써 노이 드 4-hydroxy-β-cyclodehydro-genase 노 (HBFD)와 드-β-cyclodehydro-genase (CBFD) 여름 하세에서 유전자 Pichia pastoris, 그리고 astaxanthin 수율 3.46 mg/L에 도달 했다.이를 바탕으로 Pantoea ananatis (P.ananatis ATCC 19321) 로부터 zeaxanthin glycosyltransferase (CrtX) 유전자를 발현함으로써 glycosylatedastaxanthin 합성경로를 성공적으로 구축하였으며, 수율은 지금까지 보고된 미생물이 생성하는 glycosylated astaxanthin 중 가장 높은 수율인 1.47 mg/L에 도달하였다.

클루이베로마이세스 마르시아누스 (Kluyveromycesmarxianus) 2.2.4

최근 몇 년 동안, Kluyveromyces marxianus는 천연 산물의 합성에 널리 사용되고 있다.다른 전통적인 효모와 비교하여 다음과 같은 장점이 있다:맥시크루브 효모는 과도한 탄소원을 제공함으로써 세포 생성을 증가시킬 수 있다 [69];일부 맥시큘러 효모는 고온에 잘 견디며 25~52 °C 사이의 온도에서 발효할 수 있다 [70];적절한 당화 작용과 강한 신호 펩타이드를 가지고 있으며, Saccharomyces cerevisiae보다 높은 분비 능력을 가지고 있다 [71].

현재 대사공학적 방법을 바탕으로 astaxanthin을 합성하기 위한 차대세포로 Maxicruve 효모가 사용되고 있으며 합성된 astaxanthin은 대부분 (3S, 3' S) 구성이 있습니다.예를 들어, 임유주 등 [72]은 포도당을 이용한 astaxanthin 합성을 달성하기 위해 맥시크루브 효모에서 astaxanthin 이형합성 경로를 구축하였다.그들은 Haematococcus pluvialis에서 얻은 Hpchyb와 bkt 유전자를 Saccharomyces cerevisiae의 게놈에 통합하고 이들의 copy 수를 증가시켜 4개의 변형된 균주를 얻었다.수율을 더욱 향상시키기 위해 Hpchyb 유전자에 site-directed 돌연변이를 도입하여 효소효율을 향상시키고, 유비퀴틴으로 유발되는 이형단백질의 분해를 방지하였다.

이 궁극적으로 인해의 합성에 9972 μ g/g DCW astaxanthin 5 L fermenter에 있다.또 다른 연구에서는 xylose-inducible promoter와 온도 조절 시스템의 사용으로 세포 성장과 산물 합성의 디커플링이 가능하였다.대사경로 및 발효조건을 더욱 최적화한 결과 56.8 mg/L의 astaxanthin이 생성되었다 [73].비록 astaxanthin의 생산을 위한 차대세포로서 Maxicruvin 효모의 사용에 대한 보고는 거의 없지만, 그것의 독특한 장점은 astaxanthin의 미생물 발효와 합성에 새로운 기술적 옵션을 제공한다.

기타 효모 2.2.5

위에서 언급한 대표적인 공학효모 외에도 Rhodotorula mucilaginosa와 해양red yeast와 같은 효모에 의한 astaxanthin의 생성에 대한 보고도 상대적으로 적다.Rhodotorula mucilaginosa는 석유와은 주로을 포함하는 붉은 이스트을 생산하 는데 사용 된 β-carotene다.팀을 획득 한 변종의 astaxanthin-producing Rhodotorula mucilaginosa RG-31 mutagenesis검사를 통해, 그리고 마지막으로 최적화 된의 발효 조건 astaxanthin을 달성 하기 위한 콘 텐 츠. 41 μ g/mL.해양적색효모는 해양에 자연적으로 존재하는 단세포효모의 일종이다.내염성이 좋고 카로티노이드, 주로 아스타잔틴을 생성한다.해양 깊은 빨 간의 부담이 효모 S8 노 높 드 생산 자외선에 의해 입수 되었mutagenesis 변종 ST5를 얻 거나 astaxanthin 콘 텐 츠를하고 발효 조건을 최적화 하여, 520 μ g/g에 도달 할 수 있다.

2. 3 박테리아

세균에 의한 astaxanthin의 생성이 낮아 astaxanthin에 대한 연구는 국내외에서 주로 조류와 곰팡이를 중심으로 이루어져 왔고, 세균에 의한 astaxanthin 합성에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 실정이다.대부분의 세균의 아스타잔틴 함량은 일부 조류나 균류에 비해 훨씬 낮지만 [20]세균에 아스타잔틴 합성과 관련된 유전자를 도입하면 아스타잔틴 생성을 크게 늘릴 수 있다.동시에 균류와 조류에 비해 세균 발효를 사용하면 아스타잔틴을 더 쉽게 추출할 수 있어 이후의 추출 과정을 크게 간소화할 수 있습니다.특히 그람음성균은 얇고 쉽게 부서지는 세포벽을 가지고 있어 세포에서 아스타잔틴의 추출이 용이하다.따라서 세균 발효에 의한 astaxanthin의 생산은 astaxanthin의 생산 비용을 크게 줄일 수 있으며 향후 산업 생산에 매우 중요하다.

대장균 2.3.1

대장균 (Escherichiacoli)은 그람 음성이며, 혐기성 세균이다.재배하기 쉽고 조작이 간단하며 가격이 저렴하고 분자유전학적 개조도구가 성숙되여 있다.대사공학과 합성생물학의 최고의 숙주 중 하나가 되었다.카로티노이드를 생성하지 않는 균주로서 MEP 경로를 통해 테르펜 화합물 전구물질인 IPP와 DMAPP을 합성할 수 있다.야생형 대장균에서는 생체 내에서 FPP synthase를 생성할 수 있는데, IPP와 DMAPP을 응축시켜 GPP와 FPP를 생성할 수 있으나, FPP를 최종 astaxanthin으로 전환하는 효소가 부족하다.따라서 외인성 astaxanthin 합성 모듈을 대장균에 도입하면 대장균에서 astaxanthin을 비교적 쉽게 합성할 수 있으며, 합성된 astaxanthin은 대부분 levorotatory (3S, 3' S) 구성이 있습니다.표 4는 대장균 astaxanthin 생성의 최신 진전을 보여준다.

astaxanthin의 대사 합성 경로에서 주요 유전자의 규명을 통해 astaxanthin 생성이 높은 조작 세균을 만들 수 있게 되었다.Jeong 등 75)은 Kocuria gwangallensis 로부터 MEP 경로를 이용하여 dxs, ispC, ispD,ispE,ispF, ispG,ispH,idi를 공동발현하였고 astaxanthin 합성전환에 관여하는 유전자들 (crt나는,crtE,crtYB,crtW,crtZ)은 대장균에서 공동발현하여 astaxanthin 생성을 증가시켰다.대장균이 조작의 유전자를 포함하는 경로을 합성 할 수 있었non-mevalonate 1100 astaxanthin의 μ g/g DCW이다.isoprenoid경로에 있는 lytB,ispA 및 idi 유전자는 IPP,DMAPP 및 FPP의 합성에 필수적이다.그러나 대장균 자체가 이러한 전구체들을 자신의 생장 수요를 충족시키기 위해 합성할 수 있을 뿐 아스타잔틴 합성 경로로 전용할 수 없기 때문에 아스타잔틴 수율이 너무 낮다.그러므로, Lee et알다.[76]overexpressed lytB,ispA과 이디 대장균에 astaxanthin 합성을 옮기고 있 유전자 (crt나는,crtE crtYB,crtW, crtZ), 그리고 궁극적으로 조작 된 대장균을 합성 1200 μ g/g DCW astaxanthin다.다른 출처에서 crtW와 crtZ에 대한 스크리닝은 여전히 astaxanthin 생성을 개선하는 일상적인 방법 중 하나입니다.

예를 들어, Lu 등 [78]은 다른 출처로부터 crtW와 crtZ를 비교하였고 Brevundimonas sp. SD212로부터 crtW와 Pantoea 응집체로부터 crtZ 가 astaxanthin 생성에 가장 좋은 조합이라는 결론을 내렸다.crtW와 crtZ의 발현 활성의 균형을 맞추어 플라스미드도 항생제 마커도 가지고 있지 않은 대장균 ASTA-1 균주를 구성하였다.유도제의 첨가 없이 재조합 균주는 carotenoids의 96.6%를 astaxanthin으로 합성하여 7.4 mg/g DCW의 함량에 도달하였다.Wu Yuanqing et알다.[79]9 crtZ 상영과 다른 소식통에서 crtW 그들 도입 된 대장균로 높 β-carotene 생산, 그리고 astaxanthin 콘 텐 츠 0.49-8.07 mg/L에 도달 했다.이어서 최적화된 펩타이드 링커를 이용하여 crtZ와 crtW를 융합시켰으며, 이를 통해 아스타잔틴 생성을 127.6%까지 더욱 증가시켰다.

이순 등 (80)은 GadE 프로모터를 선택하여 Haematococcus pluvialis의 HpCHY유전자와 Chlamydomonas reinhardtii의 CrBKT 유전자를 Escherichiacoli에서 발현시켰다.최종 제조된 균주는 원래 균주보다 40배 높은 24.16 mg/L astaxanthin을 합성할 수 있었다.이는 astaxanthin 합성에 적절한 유전자 원소를 선택하는 것이 astaxanthin의 발현 정도에 크게 영향을 줄 수 있음을 보여준다.

주요 유전자의 복사 수를 늘리는 것은 아스타잔틴 생성을 늘리는 간단하고 직접적이며 효과적인 방법이다.예를 들어, 대장균에서는 crtYB의 copy 수를 증가시킴으로써 아스타잔틴 축적이 충분하지 않은 병목 현상을 제거하였으며, promoter의 발현을 조절하여 fed-batch 발효 조건에서 최종 아스타잔틴 생성이 1.18 g/L에 도달하였다 [20].

리 Di et알다.[82]처음 공연 되 랜 덤에 돌연변이로 전환 시키 는데 있어서의 활동을 늘리기 위해 crtW β-carotene을 astaxanthin, 그리고 crtW 복사 번호의 증가에 의해 crtZ Cre-loxP 대장균 메 서 드를 건설하는 변종 astaxanthin 생산이 높다.최종적으로 fed-batch 발효를 통해 아스타잔틴 생성량은 0.88 g/L에 달했다 [84].장맹 등 (83)은 Paracoccussp. PC1과 Pantoea 응집체로부터 crtZ를 공동 발현하면 astaxanthin과 중간체의 축적을 증가시킬 수 있음을 발견하였다.마지막으로, PAcrtZ 2 copy와 PCcrtZ 1 copy를 혼합한 조작E. 콜균주를 제조하였다.fed-batch 발효 70시간 후 astaxanthin 생성은 1.82 g/L에 도달하였다.

또한, 비전통적인 기술 수단을 통해 아스타잔틴 대사 경로를 강화하는 전략도 아스타잔틴 생성 증가라는 목표를 달성하기 위해 사용될 수 있다.예를들어, 파트너 유전자 ApcpnA 및 ApcpnBco-expressing에 의해 대장균을 표현하는 astaxanthin 합성 유전자 (crtI, crtE crtYB,crtW, crtZ), 최종 조작 박테리아 astaxanthin의 생산 할 수 있는 890 μ g/g DCW [74]다.Lemuth et알다.[77]첫 번 째 대장균 plasmid-free건설과 안정 되게 통합의 유전자 astaxanthin biosynthesis경로를 통해 대장균에 염색체 γ 붉은색 재조 기술, 그래서 그 경로만 astaxanthin 합성을 지적 했다.최종 아스타잔틴 함량은 1.4 mg/g DCW [85]에 달했다.Morphology-based 그리고oxidative stress engineering은 대장균의 astaxanthin 합성을 향상시키는데 효과적인 전략이기도하다.예를 들어 형태 및 막과 관련된 유전자를 삭제하면 더 크고 긴 세포를 얻을 수 있으며, 이는 결과적으로 아스타잔틴 축적을 증가시킨다.

산화적 스트레스는 세포 내 반응성 산소종과 항산화물질의 생성이 불균형을 이루어 세포 손상을 초래하는 것을 말한다.따라서 산화 스트레스와 관련된 유전자를 삭제하면 세포 내 활성산소종의 수치를 증가시켜 세포를 보호할 수 있다 [81].동시에, 세포 형태는 온도가 상승한 후에도 여전히 변할 것이고, 반응성 산소 종의 수준 또한 높아질 것입니다.따라서 온도에 민감한 플라스미드의 상보적인 발현 체계를 확립함으로써 궁극적으로이 대장균의 astaxanthin 함량을 11.92 mg/g DCW로 증가시킬 수 있다.또한 효소 지역화 전략은 조작된 대장균에서 아스타잔틴의 생산을 증가시키기 위해 사용될 수도 있다.예를들어, 너희 Lijun et알다.[86-88] 사용에 대장균 지역화 한 태그 β를 현지화-carotene 분열 dioxygenase PhCCD1 다는 사실을 발견 한 다른 셀 구획과 그것의 효율성을 촉매는 세포막에 최적이었다.마지막으로 GlpF단백질을 통해 대장균 세포막에 CrtW와 CrtZ를 융합시킨 결과 아스타잔틴 생성이 215.4% 증가하였다.

2.3.2 Paracoccus

파라코커스 (Paracoccus sp.)는 세포에 아스타잔틴과 다른 희귀 카로티노이드를 함유하고 있는 호기성, 그람음성균이다.그러나 파라코커스에서의 아스타잔틴 합성에 대한 연구 논문은 거의 없다 [89-90].천연 카로티노이드는 보통 E 형으로 존재하는데, E 형은 인간과 동물이 생체적으로 이용할 수 있는 양이 적다.z-이성질화 (Z-isomerization)는 그들의 생물학적 이용성을 증가시키는 효과적인 수단이다 [91-93].예를 들어 혼다 등 [94]은 아스타잔틴과 같은 카로티노이드를 임계점 이하의 물 조건 (끓는점 이상, 임계점 이하에서 물을 가열하고, 시스템 압력을 조절하여 물을 액체 상태로 유지)에서 이성질화하기 위해 섀시 셀로 coccolithophore를 사용하였다.가열 및 가압 조건에서 에탄올을 첨가하였을 경우"z-이성질화"의 효율이 현저히 향상됨을 확인하였다.그리고 가압 조건에서는"z-이성화"의 효율이 상당히 향상되었다.마지막으로 카로티노이드 분해를 억제하면서 30분간 아임계 수처리 후,"z-이성질화"비율이 50% 이상인 astaxanthin을 얻었다.

배양액의 조성과 발효 중 매개변수의 적절한 조절은 astaxanthin 생성을 증가시키기 위한 효과적인 전략이다.트리카르복실산 중간체를 배양액에 첨가하면 전구체의 공급을 향상시킬 수 있다.주요 효소의 활성은 또한 astaxanthin 합성시 주요 효소에 대한 보조인자 (ferrous sulfate, ascorbic acid, NADPH,ATP 및 2-oxoglutarate)를 첨가함으로써 향상될 수 있으며, 이로 인해 astaxanthin 축적을 증가시킬 수 있다.예를들어, 대장균에서 astaxanthin만 드는 것하면 항생제 섀시 Crt 늘 릴 수 있는 효소의 활동을 추가 하여 5 mmol/L malate 이고 1 mmol/L 단지 황산 염, 증가 astaxanthin 생산에서 177 μ g/L를 3750μ g/L [95].비록 박테리아 자체에 의한 아스타잔틴의 생산은 조류나 효모에 의한 생산보다 낮지만, 공학된 균주의 후속 제작 및 변형을 위한 대체 유전자 요소를 제공한다.

2.3.3기타 박테리아

아스타잔틴을 생성할수 있는 세균이 비교적 적고 수확량도 비교적 낮다.가장 많이 연구된 것은 차대세포로서의 대장균이다.이외에도 락티콜라 (Mycobacterium lacticola)와 베비박테리움 (Bevibacterium)도 아스타잔틴 (astaxanthin)을 생성할 수 있다.그러나 Mycobacterium lacticola는 탄화수소매체에서만 astaxanthin을 생성하고 영양매체에서는 astaxanthin을 생성하지 않는다.베비박테리움은 기름에서 자라는데 발효가 끝나면 바이오매스는 3 g/L에 불과하며 아스타잔틴 함량은 더욱 낮아진다.

요약하면, 대장균은 현재 박테리아 중에서 아스타잔틴 생산에 이상적인 섀시 세포입니다.

아스타잔틴의 추출공정 3

Astaxanthin은 세포 내 생성물이므로 미생물로부터 Astaxanthin을 추출하는 과정은 세포 파괴와 Astaxanthin collection의 두 단계로 구분된다.세균에 비해 조류와 효모의 세포벽은 질기고 두꺼우며 쉽게 깨지지 않아 제품의 추출이 매우 어렵다.따라서 아스타잔틴 추출의 초점은 세포벽 파괴 [96]에 맞춰져 있다.

전통적인 세포벽 파괴의 방법에는 주로 물리적, 화학적, 효소적 방법 [97]이 있다.물리적 방법으로는 기계적 파쇄, 초음파 파쇄, 초임계 유체 추출 등이 있다.기계적 분쇄는 작동이 간단하며, 기계적 동요에 의해 세포벽이 찢어져서 세포 내부의 아스타잔틴이 방출된다.그러나 기계적인 분쇄는 어떤 곳에서는 고온을 초래하여 아스타잔틴을 어느 정도 손상시킬 수 있다.초음파 파쇄는 용질 내 세포벽을 효과적으로 부술수 있지만 초음파 작용의 강도와 지속시간이 증가할수록 산화성이 높은 활성산소의 생성이 증가하며 이는 astaxanthin의 추출율의 감소로 이어진다.초임계 유체 추출은 최근 다양한 종류의 해조류 생성물을 추출하는 데 가장 효과적인 추출 방법이다.전통적인 액체 용매와 비교하여 높은 확산성, 높은 압축성, 낮은 표면 장력, 낮은 점도 및 쉬운 세포 벽 침투와 같은 독특한 물리적, 화학적 특성을 가지며 제품의 추출 효율을 향상시킵니다.

화학methods mainly include 유기 농solvent extraction, acid-base treatment, and dimethyl sulfoxide (DMSO) methods. Astaxanthin is a fat-soluble natural product, so the choice 의organic solvent must take into account whether astaxanthin is soluble and the polarity 의the solvent. For example, Xing Tao et알다.[99]used ethyl acetate as an organic solvent to extract astaxanthin 에서Haematococcus pluvialis, and the final yield was 98.51%. Although the use 의organic 용매to extract astaxanthin has a high yield, the downside is that many solvents are toxic and may have a damaging effect on astaxanthin. Acid-base treatment involves the use 의큰quantities 의acid and alkali reagents, which may not only damage astaxanthin but also cause 해당하는environmental pollution. Dimethyl sulfoxide is a polar solvent that is soluble in both water and organic solvents. It is a commonly used solvent 을breaking cell walls in the laboratory, as it can quickly and efficiently break the cell walls 의bacteria without significantly affecting astaxanthin [100]. When mixed 와acetone in the right proportions, it can also extract astaxanthin relatively completely [101].

아스타잔틴의 효소 추출은 온화한 조건, 낮은 에너지 소비 및 짧은 처리 시간의 장점을 가지고 있다.빠르고 효율적으로 세포벽을 부수고 세포로부터 아스타잔틴을 방출할 수 있을 뿐만 아니라, 세포 활성을 억제하여 세포 내 물질의 변성을 막을 수도 있다 [102].따라서 효소법으로 추출한 아스타잔틴은 다른 방법으로 얻은 것보다 안정하다.예를들어, β-glucanase 수 hydrolyze β 세포 벽에-glucan astaxanthin 밖으로 흘리는 것을 막을 수 있는 박테리아와 [100] 손실을 줄 일 것이다.그러나 효소제법은 대량의 효소를 필요로 하므로 틀림없이 생산원가를 증가시킨다.동시에 효소는 본래 단백질이기 때문에 변성되기 쉬우므로 대규모 아스타잔틴 추출에는 적합하지 않다.

아스타잔틴은 강력한 항산화제이기 때문에 공기에 장시간 노출되면 공기 중의 산소가 아스타잔틴과 반응하여 항산화 능력을 잃게 된다.따라서 산소가 없는 (질소가 채워진) 추출 공정 또한 현재 산업 생산에서 사용할 수 없는 단계 중 하나입니다.이 방법은 유기용매 추출에 산소가 없는 환경을 제공하기 위해 불활성 가스나 질소로 충진하는 것으로 활성을 보호하고 아스타잔틴의 항산화 활성을 대폭 향상시킨다.

4 요약 및 전망

식품, 의약 및 화장품 분야에서 아스타잔틴의 광범위한 적용으로 인해 아스타잔틴에 대한 시장 수요는 증가할 것으로 예상됩니다.현재 화학 합성은 여전히 astaxanthin의 주요 생산 방법이지만 화학적으로 합성한 astaxanthin의 한계로 인해 세계 각국은 astaxanthin의 화학 합성에 대한 관리가 날로 엄격해지고 있다.그러나 천연자원에서 직접 추출한 아스타잔틴은 소비자의 수요를 충족시키기 어렵다.

따라서 미생물 발효를 통한 astaxanthin의 산업적 생산은 유망한 옵션을 제공합니다.효모는 넓은 기질 스펙트럼, 쉬운 성장과 배양, 짧은 발효 주기, 비교적 성숙한 유전자 변형 도구 등의 장점으로 인해 가장 유망한 섀시 세포이다.그 중 Rhodopseudomonas palustris는 astaxanthin을 자연적으로 생성할 수 있고 빠르게 성장하며 다양한 탄소원을 활용할 수 있습니다;Yarrowialipolytica는 높은 아세틸 코엔자임 A 플럭스 및 tricarboxylic acid 사이클 대사 경로를 가지고 있으며, 더 낮은 pH와 높은 삼투압에서 성장할 수 있습니다;사카로마이세스 세르비지애 (Saccharomyces cerevisiae)는 유전자 조작이 쉽고, 유전자 발현 조절 메커니즘이 명확하며, 고밀도 발효 기술이 성숙되어 있다;그리고 Pichia pastoris는 고온을 견딜 수 있고, 적절한 당화를 가지며, 강한 신호 펩타이드를 가지고 있습니다.

합성생물학, 단백질공학, 대사공학, 발효공학의 급속한 발전으로 많은 미생물이 아스타잔틴을 생산하는 섀시세포로 사용되고 있다.그러나 아스타잔틴 생합성의 중대한 돌파에도 불구하고, 과제는 여전히 남아 있습니다:

첫째, 로도토룰라 글루티니스 (Rhodotorula glutinis), 헤마토코쿠스 플루비알리스 (Haematococcus pluvialis)와 같이 자연적으로 아스타잔틴을 생산할 수 있는 미생물은 여전히 낮은 산출량과 엄격한 배양 조건, 높은 비용 등의 문제점을 가지고 있다.이러한 문제를 해결하기 위해 향후 연구는 고생산성 균주의 재배와 선별, 수확량을 높이고 비용을 절감하기 위한 배양조건의 최적화에 중점을 두어야 할 것이다.

둘째, astaxanthin 합성의 복잡한 insulin 경로로 인해 Escherichiacoli, Lipomyces starkeyi, Saccharomyces cerevisiae 등과 같은 모델 생물의 대사공학에서 여전히 낮은 수율과 같은 문제가 있다.이와 관련하여 섀시 세포에서 아스타잔틴 합성의 효율성을 향상시키기 위해 다음과 같은 전략을 사용할 수 있습니다 (그림 4):(1) MVA 대사 경로를 최적화 및 수정합니다.예를 들어, truncated tHMG(n-말단에서 500개의 아미노산에 의해 절단됨)는 MVA 경로의 핵심 유전자로 밝혀졌다.자신의 분해를 효과적으로 막을 수 있으므로 카로티노이드의 생성을 증가시킵니다.

(2) 다양한 강도의 프로모터를 교체하면 대사 경로에서의 촉매 매칭이 향상됩니다.예를들어, 유전자에 β-carotene biosynthesis, 강 한 기획자 PTEF 다른 대체 약 기획자, β을 크게 증가-carotene 생산에 Yarrowialipolytica[103]다.

다시, 속도 제한 단계의 대사 유동성을 개선하기 위해 주요 유전자의 복사 수를 증가시킵니다.복사 본을 예를들면, crtYB 횟수 가 늘어 난 1에서 4까지, β-carotene 생산 [104] 76% 가 증가 했다.

④ 모듈식어 셈 블리 키 다른 linkers을 사용 한 유전자 또는 짧은 펩 티 드의 탄소 대사 유속을 향상 시키고, 그렇게 함 으로써 astaxanthin의 효능 증가하고 있다.

⑤ 다른 subcellular에서 찾 세포기관 astaxanthin에 대한 저장 공간을 늘리는 것이다.카로티노이드는 일반적으로 세포막에 저장되며, 세포막의 유동성을 감소시켜 세포사를 유발할 수 있다.세포하세포소기관에서 카로티노이드의 대사경로를 위치시키면 대사장애 metabolism disorder를 감소시킬 수 있다.동시에 세포내의 카로티노이드의 저장공간을 확장시켜 세포에 대한 독성을 감소시킬수 있다.예를 들어, 진핵세포에 있는 소포체, 미토콘드리아, 과록시좀 등은 카로티노이드의 합성에 유리한 조건을 제공하는 독특한 물리적 환경을 가지고 있다.

⑥ 발효 조건 최적화는 가장 흔하고 가장 효과적인 방법이 astaxanthin 생산을 늘리는 것이다.예를 들어, 탄소와 질소원이 다른 매체, 다른 탄소와 질소 비율, pH값, 온도 제어 최적화.

It is also worth noting that even though astaxanthin produced through biosynthesishas far greater 응용 프로그램value than that produced through chemical synthesis, 의application is still restricted by the laws and regulations 의many countries. For example, the USFDA prohibits the use 의astaxanthin as a food additive because prolonged heating astaxanthin의can produce carcinogens. France clearly stipulates that astaxanthin can only be used in specific 건강products and cosmetics. Therefore, there is still a long way to go before astaxanthin can be produced through 미생물이fermentation.

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