天然蝦青素即天然蝦紅素，是已知最強(qiáng)的天然抗氧化劑之一。這是類胡蘿卜素合成的最高級(jí)別產(chǎn)物，顏色呈現(xiàn)深粉紅色，廣泛存在于藻類、紅酵母、鮭魚、鱒魚、磷蝦、蝦和小龍蝦等水生動(dòng)物中。

作為一種強(qiáng)效的抗氧化劑，蝦青素的抗氧化能力比維生素 E 強(qiáng) 500 倍，比維生素 C 強(qiáng) 6000 倍，還具備高效的清除自由基能力。憑借這些特性，蝦青素已被廣泛應(yīng)用于食品添加劑、化妝品、保健品、水生養(yǎng)殖和醫(yī)藥等領(lǐng)域。

目前，蝦青素的生產(chǎn)方式主要有 3 種方法，化學(xué)合成法、提取法和微生物發(fā)酵法。隨著合成生物學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，微生物發(fā)酵法合成蝦青素日漸成為實(shí)現(xiàn)蝦青素工業(yè)化生產(chǎn)最有效的途徑之一。

近期，南京工業(yè)大學(xué)姜岷和信豐學(xué)等在《合成生物學(xué)》期刊上發(fā)表了一篇基于微生物發(fā)酵法合成蝦青素的綜述文章。

（來源：《合成生物學(xué)》）

這篇論文系統(tǒng)介紹了蝦青素的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和生產(chǎn)方法，重點(diǎn)討論了蝦青素天然合成以及外源構(gòu)建的合成路徑，并總結(jié)了雨生紅球藻、酵母和大腸桿菌等不同微生物生產(chǎn)蝦青素的最新進(jìn)展，還分析了利用基因工程和發(fā)酵過程調(diào)控手段提高蝦青素產(chǎn)量的方法。

論文的通訊作者是南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院的副教授蔣羽佳以及教授信豐學(xué)。信豐學(xué)的研究方向是從事低劣生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用、人工多細(xì)胞體系功能調(diào)控與強(qiáng)化研究，包括 GRAS 級(jí)安全酵母的開發(fā)和細(xì)胞工廠構(gòu)建，尤其針對(duì)功能脂肪酸、胡蘿卜素、 蝦青素等醫(yī)藥營(yíng)養(yǎng)品。

論文中提到，未來將通過代謝工程等手段提高蝦青素產(chǎn)量，進(jìn)一步增強(qiáng)蝦青素在食品、醫(yī)療、化妝品和飼料等產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。

蝦青素的生物合成途徑大體可以分為 3 個(gè)階段，第一階段是中心碳代謝，第二階段是甲羥戊酸途徑（MVA）和甲基赤四醇 4-磷酸途徑（MEP），第三階段是蝦青素合成階段。

在中心碳代謝階段，生物體通過葡萄糖等碳源經(jīng)糖酵解途徑（EMP）生成丙酮酸以及乙酰輔酶 A 等萜類化合物的前體，這些前體物質(zhì)會(huì)流向 MVA 和 MEP。

▲圖 | 微生物合成蝦青素的代謝途徑（來源：《合成生物學(xué)》）

MVA 和 MEP 則是蝦青素生物合成途徑中的第二階段。甲羥戊酸途徑提供萜類合成所需的前體物和細(xì)胞生長(zhǎng)必需物質(zhì)的前體物，該途徑從乙酰輔酶 A 開始經(jīng) 6 步酶促反應(yīng)生成異戊烯焦磷酸酯（IPP），再通過異戊烯基焦磷酸異構(gòu)酶（IDI）將 IPP 異構(gòu)化成二甲基烯丙基焦磷酸酯（DMAPP），最后以 IPP 和 DMAPP 為前體合成萜類化合物的前體物；

MEP 途徑是另一條合成天然萜類化合物的前體供應(yīng)途徑，這一途徑廣泛存在于細(xì)菌、真菌、植物和藻類中。該途徑從丙酮酸出發(fā)，經(jīng) 7 步酶促反應(yīng)生成 DMAPP，然后通過 IDI 將 DMAPP 異構(gòu)化成 IPP，最后同樣以 IPP 和 DMAPP 為前體合成萜類化合物的前體物。

第三階段是蝦青素合成，IPP 和 DMAPP 在法尼基二磷酸合酶作用下生成香葉基焦磷酸（GPP），GPP 繼續(xù)在不同酶的作用下生成不同產(chǎn)物，最終生成 β-胡蘿卜素，然后在 β 胡蘿卜素分子環(huán)上的兩端補(bǔ)充羥基與羰基，將 β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為蝦青素。

微生物發(fā)酵是一種極具前景的蝦青素生產(chǎn)方法。目前用于發(fā)酵合成蝦青素的微生物包括藻類、酵母、細(xì)菌等，領(lǐng)域內(nèi)主要通過調(diào)控發(fā)酵過程和代謝工程改造菌種等策略提高蝦青素產(chǎn)量。

比方說，通過優(yōu)化發(fā)酵條件提高微生物蝦青素產(chǎn)量，通過強(qiáng)化代謝路徑中的 MVA 和 MEP 來提高前體物質(zhì)的供應(yīng)量；篩選表達(dá)不同來源的關(guān)鍵基因；模塊化工程連接表達(dá)基因，增加拷貝數(shù)量；定位不同亞細(xì)胞器等。

自然界中的多種藻類可以用來生產(chǎn)蝦青素，包括雨生紅球藻、衣藻、傘藻和裸藻等，雨生紅球藻是生產(chǎn)蝦青素的一種主要藻類。但是，藻類面臨生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、培養(yǎng)條件要求高、需要光照、提取率低等問題。

因此，基于藻類生產(chǎn)蝦青素需要采取多種優(yōu)化方法。第一，改善光照環(huán)境反應(yīng)器中光暗循環(huán)周期 更穩(wěn)定、液體混合更均勻，增加次級(jí)代謝物產(chǎn)生；第二，添加可提升蝦青素產(chǎn)量的外源物質(zhì)，比方說 rac-GR24；第三，優(yōu)化提取方法，有團(tuán)隊(duì)提出了一種利用可切換親水性溶劑的提取新方法。

與藻類等微生物相比，酵母是目前蝦青素工業(yè)化生產(chǎn)中最有潛力的底盤細(xì)胞之一。天然生產(chǎn)蝦青素的酵母包括紅法夫酵母，基于基因工程的工程化酵母包括釀酒酵母、解脂耶氏酵母以及馬克斯克魯維酵母等等。下文以紅法夫酵母為例詳細(xì)介紹提高蝦青素產(chǎn)量的優(yōu)化策略。

▲圖 | 紅法夫酵母生產(chǎn)蝦青素的進(jìn)展（來源：《合成生物學(xué)》）

紅法夫酵母是合成蝦青素理想的底盤細(xì)胞之一，綜述中詳細(xì)介紹了通過改造提高蝦青素產(chǎn)量的方法。一是發(fā)酵條件，尤其是 pH 值，通過調(diào)控 pH 值可將蝦青素產(chǎn)量比恒定 pH 發(fā)酵提高 24.1%；二是在發(fā)酵過程中添加某些物質(zhì)（包括原釩酸鈉和乙醇），調(diào)控代謝途徑；三是通過誘變、關(guān)鍵基因編輯或刪除以及代謝工程改造。

與藻類和真菌相比，細(xì)菌合成的蝦青素產(chǎn)量較低，但是基于細(xì)菌生發(fā)酵更容易提取蝦青素，可極大簡(jiǎn)化后續(xù)的提取工藝。大腸桿菌是研究最多且目前細(xì)菌中生產(chǎn)蝦青素的更為理想的底盤細(xì)胞。

以大腸桿菌為例，領(lǐng)域內(nèi)通過多種策略合成并提高蝦青素產(chǎn)量。一是利用 MEP 途徑和轉(zhuǎn)化蝦青素合成的相關(guān)基因，在大腸桿菌中進(jìn)行共表達(dá)增加產(chǎn)量；篩選不同來源的蝦青素合成基因 CrtW 和 CrtZ 是提升蝦青素產(chǎn)量的常規(guī)方案之一；三是選用合適的蝦青素合成基因元件；四是增加關(guān)鍵基因的拷貝數(shù)，這是提升蝦青素產(chǎn)量簡(jiǎn)單、直接和有效的方式；五是其他非常規(guī)技術(shù)手段。

▲圖 | 大腸桿菌生產(chǎn)蝦青素的進(jìn)展（來源：《合成生物學(xué)》）

蝦青素是胞內(nèi)產(chǎn)物，因此需要從底盤細(xì)胞中提取出來，這一過程可分為破壞細(xì)胞和收集蝦青素。提取蝦青素的重點(diǎn)則在于細(xì)胞的破壁處理，傳統(tǒng)的破壁處理方法包括物理法、化學(xué)法和酶法等。

物理處理方法涵蓋了機(jī)械破碎、超聲波破碎和超臨界流體萃取等，超臨界流體萃取是近年來各類藻產(chǎn)品提取蝦青素最有效的萃取方法。

化學(xué)法主要包括有機(jī)溶劑萃取法、酸堿處理法、二甲基亞砜法等。前兩種存在溶劑具有毒性，破壞產(chǎn)物以及造成環(huán)境污染等問題，相比之下，二甲基亞砜法更具有優(yōu)勢(shì)。這是一種既溶于水又溶于有機(jī)溶劑的極性溶劑，是實(shí)驗(yàn)室常用的破壁溶劑，能夠快速高效破碎菌體細(xì)胞壁，不會(huì)對(duì)產(chǎn)物造成太大影響，且能夠通過與丙酮按比例混合較為完全提取蝦青素。

酶法提取具有條件溫和，能耗小、耗時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)，用這種方法提取的蝦青素比用其他方法提取更穩(wěn)定。

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