摘要：类胡萝卜素是一类四萜类天然产物，不仅在自然界中广泛存在，并具有多种生理功能。比如，β-胡萝卜素是维生素 A 的前体，能够促进生长和保护视力；番茄红素对心血管系统有保护作用，能够降低心肌梗死风险；虾青素则因其强大的抗氧化活性，被广泛应用于水产养殖和保健品。

类胡萝卜素是一类四萜类天然产物，不仅在自然界中广泛存在，并具有多种生理功能。比如，β-胡萝卜素是维生素 A 的前体，能够促进生长和保护视力；番茄红素对心血管系统有保护作用，能够降低心肌梗死风险；虾青素则因其强大的抗氧化活性，被广泛应用于水产养殖和保健品。

随着市场对类胡萝卜素需求的增加，传统的植物提取和化学合成方法已无法满足需求。因此，近年来，多种工业微生物已被用于高效合成类胡萝卜素，包括大肠杆菌、酿酒酵母和解脂耶氏酵母等。其中，解脂耶氏酵母因其有着高效的脂质积累能力和丰富的乙酰辅酶 A（类胡萝卜素关键前体物质）供应，成为生产类胡萝卜素的理想宿主。

图 | 代表性类胡萝卜素的结构、功能和来源

近日，南京工业大学纪晓俊等人在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 上发表了一篇题为“Biotechnological Production of Carotenoids Using Yarrowia lipolytica”的综述性文章，总结了多种利用解脂耶氏酵母生产类胡萝卜素的生产策略，对该领域的研究和应用具有重要参考价值。

对于不同的类胡萝卜素，在解脂耶氏酵母中的生产策略并不相同。通常情况下，乙酰辅酶 A 会在一系列酶的催化下，通过内源 MVA 途径逐步转化为异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP），这是类胡萝卜素合成的重要前体。随后，IPP 和 DMAPP 在 ERG20 酶和 GgPPs 酶的作用下，依次转化为香叶基二磷酸（GPP）、法呢基二磷酸（FPP）和香叶基香叶基焦磷酸（GGPP）。

此时，GGPP 作为关键前体，在不同酶的催化下合成各类类胡萝卜素。例如，番茄红素的合成需要 GGPP 合酶（CrtE）、八氢番茄红素合酶（CrtB）和八氢番茄红素脱氢酶（CrtI）协同作用；β-胡萝卜素则由番茄红素经相应的环化酶催化而成；虾青素的合成更为复杂，涉及 β-胡萝卜素在 β-胡萝卜素酮醇酶（Crtw）和 β-胡萝卜素羟化酶（CrtZ）催化下，历经多个中间产物最终生成。

此外，有多种代谢工程策略可以提高解脂耶氏酵母生产类胡萝卜素的效率，包括前体工程、通路工程、脂质工程、蛋白质工程、亚细胞区室工程、辅因子工程和形态工程等。

前体工程：乙酰辅酶 A 是解脂耶氏酵母碳代谢的中心节点，是 MVA 途径的重要前体，而 MVA 途径又在类胡萝卜素的合成中起着关键作用。因此，增加其供应是提高类胡萝卜素产量的重要策略，研究人员通过过表达 ATP- 柠檬酸裂解酶（ACL）或构建磷酸酮醇酶-磷酸转乙酰酶（PK-PTA）途径，可以有效增加乙酰辅酶 A 的供应，从而提高类胡萝卜素的产量。

途径工程：类胡萝卜素的合成途径包括上游的 MVA 途径和下游的异源合成途径。通过过表达 MVA 途径中的关键基因（如 HMGR、IDI 和 ERG20），可以增加前体供应，从而提高类胡萝卜素的产量。

脂质工程：由于类胡萝卜素是疏水性化合物，主要储存在细胞膜和脂质细胞器中，因此调节细胞内脂质水平可以促进类胡萝卜素的积累。通过敲除 β-氧化途径中的基因（如 POX1-6）或过表达脂质合成相关基因（如 ACC1 和 DGA1），可以显著提高类胡萝卜素的产量。

蛋白质工程：通过靶向突变合成途径中的关键酶或酶融合技术，可以提高酶的催化效率，从而增加类胡萝卜素的产量。例如，通过突变 CarRP 酶，可以解除番茄红素对其的底物抑制，从而提高 β-胡萝卜素的产量。

亚细胞器工程：通过将异源途径的酶定位到合适的亚细胞器（如脂滴、内质网和过氧化物酶体）中，可以减少酶与底物之间的空间距离，从而提高类胡萝卜素的合成效率。

辅因子工程：辅因子在酵母代谢网络中起着关键的调节作用，研究人员通过增加 NADPH 的供应，可以促进 MVA 途径的代谢通量，从而提高类胡萝卜素的产量。

形态工程：解脂耶氏酵母具有二态性，可以以酵母或菌丝形式存在。通过敲除与形态转换相关的基因（如 RAS2 和 MHY1），可以令其维持酵母形态，从而提高类胡萝卜素的产量。

图|多种提高类胡萝卜素生物合成的工程策略

总之，随着研究的不断深入，解脂耶氏酵母生产类胡萝卜素的技术日益成熟，但仍面临一些挑战。脂质代谢调控有待进一步优化，以更有效地促进类胡萝卜素积累。相信未来，研究人员将继续挖掘解脂耶氏酵母的潜力，，有望实现类胡萝卜素的大规模工业化生产，让这些 “黄金营养素”更好地造福人类。

参考文献：

1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.4c11251

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来源：生辉SciPhi