{"id":4141,"date":"2023-12-15T17:29:57","date_gmt":"2023-12-15T09:29:57","guid":{"rendered":"https:\/\/www.backvita.com\/?p=4141"},"modified":"2024-04-13T00:06:56","modified_gmt":"2024-04-12T16:06:56","slug":"advances-in-the-synthesis-of-three-typical-tetriterpenoids-beta-carotene-lycopene-and-astaxanthin","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.backvita.com\/de\/fortschritte-bei-der-synthese-von-drei-typischen-tetriterpenoiden-beta-carotin-lycopin-und-astaxanthin\/","title":{"rendered":"Fortschritte bei der Synthese von drei typischen Tetriterpenoiden: Beta-Carotin, Lycopin und Astaxanthin"},"content":{"rendered":"
\"Lycopin<\/figure><\/div>\n\n\n\n

Hintergrund der Forschung<\/h2>\n\n\n\n

Carotinoide<\/a> sind typische Tetriterpenoide, eine Klasse von wichtigen nat\u00fcrlichen Pigmenten, die in Tieren, Pflanzen, Pilzen und Algen vorkommen. Die derzeit gebr\u00e4uchlichsten und am h\u00e4ufigsten verwendeten Carotinoide sind \u03b2-Carotin, Lycopin<\/a> und Astaxanthin<\/a>. Mit der Entwicklung der Isolierungs- und Analysetechnik wurden auch einige neue Carotinoide (Cyclococcinin, Dandelaxanthin usw.) untersucht und eingesetzt. Je nach chemischer Struktur lassen sich die Carotinoide in zwei Kategorien einteilen: Zum einen gibt es Carotinoide, die nur Kohlenstoff und Wasserstoff, aber keinen Sauerstoff enthalten, wie z. B. Beta-Carotin und Lycopin; zum anderen gibt es Carotinoide, die Hydroxyl-, Keton-, Carboxyl- und andere sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen enthalten, wie Lutein und Astaxanthin. Inhalt der Forschung<\/p>\n\n\n\n

Carotinoide werden in der Regel auf folgende Weise gewonnen. Extraktion mit organischen L\u00f6sungsmitteln: \u00dcbliche organische L\u00f6sungsmittel sind Aceton, Petrolether, Dimethylsulfoxid, Ethylacetat usw. Es gibt jedoch einige Probleme, wie z. B. eine niedrige Extraktionsrate, geringe Reinheit und Sicherheitsrisiken. Chemische Synthese: Diese Methode ist eine der wichtigsten Methoden f\u00fcr die gro\u00dftechnische Herstellung von Carotinoiden. Die meisten Carotinoide k\u00f6nnen aus \u03b1- und \u03b2-ionischen Ketonen durch eine Reihe komplexer chemischer Reaktionen wie Acetylierung, Ans\u00e4uerung, Hydrierung, Halogenierungs-Umlagerung und Witting-Reaktion hergestellt werden. Biosynthese: Der Biosyntheseweg der Carotinoide kann in zwei Stufen unterteilt werden: Die erste Stufe ist die Synthese von Isopren aus Kohlenstoffquellen, das eine h\u00e4ufige Vorstufe der Carotinoide ist; die zweite Stufe ist die Synthese der nachgeschalteten Carotinoide. Die Synthese der verschiedenen Carotinoide wird durch unterschiedliche Enzyme beeinflusst. In der ersten Stufe wandeln die Mikroben die Kohlenstoffquelle in Zwischenprodukte wie CoA, Pyruvat und Glyceraldehyd-3-Phosphat um, die dann \u00fcber den Mevalonat-Weg (MVA) und den 4-Phospho-Methylerythritol-Weg (MEP) oder den k\u00fcnstlichen Isopentenol-Verwertungsweg (IUP) in die Vorstufe Isopren umgewandelt werden.<\/p>\n\n\n\n

Als Chassis-St\u00e4mme f\u00fcr die Produktion von Carotinoiden wurden Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae usw. ausgew\u00e4hlt. Escherichia coli ist der in der industriellen Biotechnologie am h\u00e4ufigsten verwendete Chassis-Mikroorganismus, da er \u00fcber ausgereifte genetische Werkzeuge verf\u00fcgt und sich leicht kultivieren l\u00e4sst. So verf\u00fcgt Escherichia coli beispielsweise \u00fcber einen nat\u00fcrlichen MEP-Stoffwechselweg im K\u00f6rper, und nur durch die Einf\u00fchrung von Carotinoid-Genen kann eine heterologe Carotinoid-Biosynthese erreicht werden. So wurde nach \u00dcberexpression des Carotin-Gens von Erwinia mit synthetischen Operons eine Form von E. coli, die Beta-Carotin produziert, genetisch konstruiert. Die rekombinanten Bakterien produzierten schlie\u00dflich 390 mg\/l Beta-Carotin in einem 50-Liter-Fermenter 25. Durch die Einf\u00fchrung des gesamten MVA-Wegs zur Steigerung der Synthese des Vorl\u00e4ufers IPP und die F\u00fctterung der Batch-Kultur erreichte die maximale Ausbeute an \u03b2-Carotin in den gentechnisch ver\u00e4nderten Escherichia coli 663 mg\/l. Im manipulierten Stamm DH416 konnte der Lycopingehalt 1,22 g\/L erreichen, und der durchschnittliche Ertrag betrug 61,0 mg\/L-h-1. Der Syntheseweg von Mevalonat und Lycopin wurde in Escherichia coli FA03-PM etabliert. Bei der Fermentation im Fed-Batch-Verfahren wurde ein Lycopingehalt von 94 mg\/g erreicht, was der h\u00f6chste Wert ist, der bisher in metabolisch ver\u00e4nderten Escherichia coli erreicht wurde. Bei der Produktion von Astaxanthin aus Escherichia coli CAR026 als Ausgangsstamm produzierte der rekombinante Stamm Gro-46 unter F\u00fctterungsbedingungen 1,18 g\/l Astaxanthin, was die bisher h\u00f6chste Produktion von Astaxanthin in gentechnisch ver\u00e4nderten Escherichia coli darstellt. Da Saccharomyces cerevisiae nicht \u00fcber einen vollst\u00e4ndigen Carotinoid-Stoffwechselweg verf\u00fcgt, werden heterogene Carotinoid-Gene in Saccharomyces cerevisiae eingef\u00fchrt. Nach der Einf\u00fchrung des CRT-Gens der roten Hefe in Saccharomyces cerevisiae INVSc1 erh\u00f6hte sich beispielsweise durch die \u00dcberexpression von rekombinantem Saccharomyces cerevisiae INVSc1 bei 20\u2103 der \u03b2-Carotin-Gehalt auf 528,8\u03bcg\/g. Unges\u00e4ttigte Fetts\u00e4uren k\u00f6nnen die Fluidit\u00e4t und den Speicherplatz der Zellmembranen verbessern und dadurch die Produktion von Carotinoiden erh\u00f6hen. Eine Supplementierung mit 60mg\/L \u00d6ls\u00e4ure oder Palmitoleins\u00e4ure erh\u00f6hte den Beta-Carotin-Gehalt um 83,7% bzw. 130,2%. Was die Lycopinproduktion betrifft, so kann Saccharomyces cerevisiae durch die Optimierung von Lycopinsynthasen aus verschiedenen Quellen bis zu 3,28 g\/L Lycopin produzieren. Eine Gal4-Mutante mit einem temperatursensitiven (TS) Ph\u00e4notyp von Saccharomyces cerevicae akkumulierte 44% mehr Biomasse und 177% mehr Lycopin durch zweistufige Fermentation als der Wildtyp Gal4. Gleichzeitig wurde das System zur Regulierung der Temperaturreaktion in die transgene Saccharomyces cerevisiae zur Astaxanthinproduktion eingef\u00fchrt, und die Astaxanthinproduktion wurde vom Zellwachstum getrennt. Schlie\u00dflich wurden 235mg\/L Astaxanthin durch zweistufige Fermentation mit hoher Dichte produziert.<\/p>\n\n\n\n

Mit der raschen Entwicklung der synthetischen Biologie, des Protein-Engineerings, des Metabolismus-Engineerings und des Fermentations-Engineerings werden synthetische Mikroorganismen zweifellos eine neue M\u00f6glichkeit f\u00fcr die gro\u00dftechnische Produktion von Naturprodukten bieten. Gegenw\u00e4rtig sind synthetische mikrobielle Co-Kultursysteme vollst\u00e4ndig auf die Synthese von Metaboliten durch Arbeitsteilung ausgelegt, insbesondere von Metaboliten mit langen Stoffwechselwegen. Die Entwicklung eines angemessenen mikrobiellen Co-Kultursystems und die Modularisierung der Synthesewege f\u00fcr Carotinoidprodukte k\u00f6nnen daher den metabolischen Druck einzelner Zellen wirksam verringern und ein metabolisches Energiegleichgewicht erreichen.<\/p>\n\n\n\n

Aufgrund der weit verbreiteten Verwendung von Carotinoiden in Lebensmitteln und in der Medizin wird auch die Nachfrage nach nat\u00fcrlichen Carotinoiden steigen. Die direkte Gewinnung von Carotinoiden aus nat\u00fcrlichen Ressourcen ist weit davon entfernt, den Bedarf der Verbraucher zu decken. Daher ebnet die Synthese nat\u00fcrlicher Carotinoide durch mikrobielle Fermentation den Weg f\u00fcr die Massenproduktion.<\/p>\n\n\n\n

Autor: Nanjing Universit\u00e4t f\u00fcr Technologie, Xin Feng Xue, Zhang Wenming<\/p>\n\n\n\n

Zeitschrift: Biotechnology Advances<\/p>\n\n\n\n

Jahr: 2022<\/p>\n\n\n\n

DOI:doi.org\/10.1016\/J.BIOTECHADV.2022.108033<\/p>\n (