¿Cómo biosíntesis de astaxantina?

astaxantina esunfat-soluble carotenopigment originally isolated desdelobsters [1]. It is found enunvariety dealgae, microorganisms, crustaceans ymarine fish, but is rarely reported enMás altoplantas[2]. Since elmid-1980s, with eldiscovery deelantioxidanteyLos demásbiological actividadesdeastaxanthin, it hasgradually been used enproducts such as animal feed, Salud saludfoods, cosmetics ymedical preparations. elEuropeanUnielhas long approved astaxantinaparause as undietary supplement; the US La comidayDrug Administration has also approved astaxanthenas unfood coloring agent paraanimal yfish feed; yChina also allows the extensive use deastaxantinaenfood yfeed additives. Therefore, the marketdemyparaastaxantinais increasing.

En la oferta comercial actual de astaxantina, astaxantina es sintetizprincipalmente por métodos químicos o se extrae de astaxantina que contiene HaematococcusPluvialis,Rhodopseudomonas palustris, y las cáscaras de camarón y cangrejo, y luego procesa para obtener productos para diferentes usos. Los vehículos de administración hidrófilos se utilizan a menudo en productos de salud y preparados farmacéuticos para asegurar la absorción efectiva de sustancias activas como la astaxantina en el cuerpo humano. En la actualidad, los métodos utilizados para la producción a gran escala de astaxantina tienen ciertas limitaciones, lo que resulta en una escasez de astaxantina. En los últimos años, con el desarrollo de la tecnología de ingeniería genética, los cultivos transgénicos ricos en astaxantina, como el arroz, los tomates y el maíz, se han reportado uno tras otro, trayendo nuevas posibilidades para la futura producción industrial de astaxantina de alta calidad.

1 propiedades de astaxantina

Astaxantina, también conocida como pigmenarojo de camarón, es 3,3' dihidroxy-4,4'-dione-beta,beta' -carotencon la fórmula molecular C40H52O4. La estructura molecular de la astaxantina consiste en una larga cadena de polienos conjugy dos anillos de hexaeno cetona en los extremos, con C-3 y C-3' En el extremo suena como los centros quir. Dependiendo de la conformación del átomo de carbono quiren el anillo final, astaxantina tiene tres estereoisómeros: levogle (3S,3'S), dextrogire (3R,3'R) y meso (3R, 3'S) (figura 1).

These different conformations deastaxanthenare all found ennature. For example, astaxantinaenRhodotorula glutinis is a free form dethe levo-conformation; Antarctic krill is dominated porastaxantinaesters dethe dextro-conformation; wild Salmón salmóncontains mainly astaxantinaenthe free form dethe levo-conformation; enHaematococcuspluvialis, it is the free form deastaxanthenwith the left-handed conformation. Among these, monoesters account paraabout 80%, while diesters account paraabout 15%. The Grasa grasaÁcidos ácidos ácidos ácidos ácidos ácidos ácidos ácidos ácidos ácidos ácidos ácidos ácidos ácidosthat participate enesterification at the 3 or 3' Los grupos hidroxilo incluyen principalmente ácido oleico, ácido trans-oleico, ácido ricinoleico y ácido araquidico. Además, dependiendo de la disposición espacial de los grupos de enlace doble carbono-carbono en la estructura de astaxantina, también hay isómeros cis-trans. Si los dos grupos están en el mismo lado del doble enlace, se llama la estructura cis (Z), de lo contrario se llama la estructura trans (E) (figura 1). Entre ellos, all-trans astaxantina es la más estable y se encuentra en grandes cantidades en la naturaleza.

2 The biosynthetic pathway deastaxanthen(en inglés)

Como un ceto-carotenoide, astaxantina sólo tiene una vía biosintética completa en bacterias, hongos, algas y algunas plantas, incluyendo el bien conocido Rhodopseudomonas palustris[3] y Haematococcuspluvialis[4‑5]. Animales como el salmón y las langostas tienen poca capacidad de sintetizar astaxantina de novo y generalmente sólo puede acumularlo en el cuerpo a través de la cadena alimentaria [6‑7]. Las vías metabólicas para la síntesis de carotenoides son similares. En plantas con flores [8], el pirofosfato de geranilgeranilo (GGPP) se produce a partir de gliceraldehido-3-fosfato y piruvato a través de una serie de reacciones; Entonces, bajo la acción de la fitosintasa (PSY), dos moléculas de GGPPpara formar fitoeno, que es el paso limitante en la síntesis de carotenoides.

El fitoeno luego se oxida para formar licopen, que se somete a una mayor rami. Una de las ramas sinteluteína bajo la acción de la licopeno epsilon ciclas(LCY-e), mientras que la otra rama procede en la dirección de − -caroteno, finalmente formando ácido abscísico.beta-carotenoEs el precursor para la síntesis de astaxantina en bacterias, hongos, algas y algunas plantas. La diferencia estructural entre astaxantina y betacaroteno se encuentra en los grupos hidroxilo en el C3 y C3' Los anillos y los grupos carbonilo en el C4 y C4' Anillos en los extremos de la cadena de carbono. Por lo tanto, extender la vía de biosíntesis de -caroteno al proceso de astaxantina es en realidad un proceso de adición de grupos hidroxilo y carbonilo a los sitios correspondientes en los anillos − en ambos extremos de la molécula de -caroteno. Sin embargo, los métodos y vías de hidroxilación y carbonilación son ligeramente diferentes en diferentes especies, y se pueden dividir en tres vías en general, como se muestra en la figura 2.

Tagetes erecta is the only higher plant reported to date to be able to synthesize astaxanthin. Cunningham etal. [9] screened a cDNunlibrary deTagetes erecta petals paracDNAs similar to − -caroteno3-hydroxylase genes (cbfd1 ycbfd2) ytransferred these two cDNAs intoLa bacteria Escherichia coli (Escherichia coli).paragenfunction verification. The results showed that CBFD1/CBFD2 has substrate specificity and can hydroxylate the C4 deunmodified carotenoβ-rings and the C3 decarotenoid 4-keto-β-rings, but cannot hydroxylate the C3 deunmodified β-rings or 4-hydroxy-β-rings. The team further verified this result in 2011 and identified two other genes, hbfd1 and hbfd2, which encode HBFD[2] and can dehydrogenate the hydroxyl group on the 4-hydroxy-β-ring to form a 4-carbonyl-β-ring. In marigold, when β-carotene is used as a substrate for the Síntesis síntesis síntesisdeastaxanthin, CBFD first hydroxylates the C4 dethe β-carotene β-ring; then the hydroxyl group at this site is dehydrogenated porHBFD to form a carbonyl group; finally, CBFD adds a hydroxyl group to the C3 dethe 4-carbonyl-β-ring to form astaxanthin.

La ruta metabólica de astaxantina de las bacterias marinas parece ser más concisa. No hay interferencia entre la − -caroteno cetolasa CrtWyla − -caroteno hidroxilcrtz, ni hay una estricta secuencia de reacción catalítica entre la cetolasa yla hidroxilasa en el caléndula.

En algas, la cetolasa BKTyla enzima CrtW de Haematococcus pluvialistienen secuencias de aminoácidos similares [10], pero la citocromo P450 reductasa [11] actúa como una hidroxilen conjunto con BKT.En la levadura, el gen funcional que convierte − -caroteno en astaxantina sigue siendo controvertido. Esto se debe a que hay dos reacciones diferentes en la conversión de − -caroteno a astaxantina: hidroxilación y ketolación. Sólo un gen relevante, CrtS,ha sido clonado para la primera mitad de este proceso. Ojima etal. [12] introdujeron los TCRen E. coli que podrían producir beta-caroteny detectaron el producto intermedio astaxantina, proponiendo así la hipótesis de que los TCR tienen dos funciones: hidroxilación y ketolación. Sin embargo, Álvarez etal. [13] solo detectaron los productos hidroxilde − -caroteno, − -criptoxantina y zeaxantina, cuando introdujeron CrtS en los Streptomyces productores de − -caroten. Por lo tanto, creían que la hidroxi-carotenhidroxilsolo tiene una función de hidroxilación. Alcaino etal. [14] clonaron otro gen, CrtR, que codifica la citocromo P450 reductasa, y las investigaciones han mostrado que la CrtR es necesaria para que los TRCconviertan − -caroteno en astaxantina.

3 aplicaciones de astaxantina

3.1 aplicación de astaxantina en la acuicultura y piensos para el ganado

Astaxantina es un agente colornatural que se produce en diferentes especies en diferentes conformaciones, dando al organismo su color característico. Un ejemplo típico es el color rojo de la carne de salmón. Este color rojo es visualmente agradable y la gente está acostumbra ver este color brillante como un signo de frescura y sabor. La astaxantina puede acumularse en las lipoproteínas de pescado [15], miosina [16] y − -actinina [17]. Por esta razón, con el fin de hacer el salmón de piscimás vívidamente de color, una cantidad moderada de astaxantina se añade a los piensos convencionales.

Se estima que la demanda del mercado de alimentos para animales y productos nutricionales fue de 300 millones y 30 millones de dólares respectivamente en 2009, pero llegará a 800 millones y 300 millones de dólares respectivamente en 2020, siendo la demanda anual de astaxantina como alimento para salmón de 200 millones de dólares (2.500 dólares ·kg-1) [18].

In addition to aquatic products, astaxantinacan also be used in poultry feed. Adding 10 mg·kg-1 of natural astaxanthin to the feed of carneducks can effectively deposit it in the ducks, causandothe beaks and shins of live ducks to take on a natural and healthy golden yellow color. It can also effectively inhibit lipid peroxidoxidoxidoxidoxidin the muscles and improve nutritional value [19]. Using high-astaxanthin corn to completely replace corn in traditional feed to feed laying hens (Figure 3) can produce eggs with astaxanthin levels of 12.10–14.15 mg·kg-1 in the yolk, with each egg containing about540 µg de astaxantina, que puede satisfacer las necesidades diarias de salud antioxidante del cuerpo humano [20].

3.2 astaxantina en alimentos saludables y cosméticos

La larga cadena de polienos conjugen la molécula de astaxantina puede apagar el oxígeno singlet y eliminar los radicales libres, por lo que astaxantina tiene una capacidad antioxidante extremadamente fuerte [21]. Se ha informado de que la actividad antioxidante de astaxantina es 10 veces mayor que la de zeaxantina, luteína, cantaxantina y -caroteno, y 100 veces mayor que la de tocoferol [22]. Por lo tanto, se cree que la adición de astaxantina a los alimentos y productos para el cuidado de la piel puede utilizar su actividad antioxidante para lograr el blanqueamiento y el cuidado de la piel, mejora inmune y efectos anti-envejecimiento. En noviembre de 2022,había 2.371.474 productos registrados en China etiquetados como que contienen astaxantina, de los cuales 70.765 eran productos para el cuidado de la piel y la belleza; 45.156 eran productos alimenticios; Sin embargo, los productos para la salud astaxantina son básicamente todos importados del extranjero [23‑24].

Productos importados [23‑24].

3.3 aplicación de astaxantina en medicamentos

Debido a que la astaxantina tiene un fuerte efecto antioxidante, se puede utilizar como un agente farmacológico de múltiples objetivos. Astaxantina puede prevenir y mejorar la enfermedad hepática grasa no alcohólica y la fibrosis hepática mediante la regulación de la respuesta inmune del hígado, la inflamación del hígado y el estrés oxidativo [25]. Además, Fakhri etal. [26] creen que la astaxantina puede prevenir la mayoría de las enfermedades relacionadas con el estrés oxidativo y la inflamación, incluso enfermedades inflam, cáncer, obesidad, hipertrigliceridemia, hipercolesterolemia, cardiovascular, gastrointestinal, hígado, oftaloftalmia neurodegener, enfermedades del sistema esquelético, reproductivo y enfermedades de la piel. Lignell et al. [27] también mostraron que la administración oralde fármacos que contienen astaxantina puede mejorar significativamente la fuerza muscular humana y la tolerancia al ejercicio.

4 fuentes principales de astaxantina comercial

4.1 sintetizquímicamente astaxantina

La síntesis química de astaxantina es la principal fuente de astaxantina comercial. En China, Pi et al. [28] informaron un método de síntesis química para la astaxantina, que tiene las ventajas de fácil acceso a las materias primas, alta selectividad de reacción, y alto rendimiento. En el extranjero, las principales fuentes de astaxantina sintética comercialmente disponibles son BASFen Alemania y Roche en Suiza. Los métodos sintéticos utilizados por estas dos empresas son similares, y el proceso es complejo y riguroso [29], pero el costo es relativamente bajo. Además, también hay un método para sintetizar astaxantina usando cantaxantina. Aunque la astaxantina sintetizpor este método tiene mayor actividad biológica, tiene alto costo, bajo rendimiento, y el proceso de síntesis es peligroso [30]. En la actualidad, la astaxantina más sintetizindustrialmente se utiliza como aditivo alimentario en la acuicultura de salmón y otros productos acuáticos.

4.2 método de extracción Natural

In addition to chemical synthesis, astaxanthin can also be extracted desdeorganisms that naturally contain astaxanthin. Existing extraction methods mainly extract astaxanthin desdeorganisms such as Haematococcus pluvialis, Chromatococcus purpureus, Rhodopseudomonas palustris, and crustacean shells. The form of astaxanthin in different species is different, and the produccióngenerally requierethe extraction of the more stable All-trans astaxanthin. At present, in industrial production, natural astaxanthin with all-trans configuration can only be extracted from Haematococcus pluvialis, but algae have a long growth cycle, low biomass, and the induction of astaxanthin accumulation poradverse Los estresconflicts with the accumulation of cell biomass, resulting in an astaxanthin content of 1% to 5% in Haematococcus pluvialis [31]. Although the red yeast Rhodotorula glutinis has a fast growth rate and high biomass, suastaxanthin content is only 0.4% [31]. The method of extracting astaxanthin from discarded crustaceans is costly, has a low yield and low purity, and is therefore rarely used. In general, the existing industrial production methods have more or less the problems of being technically difficult, costly to produce and yielding low levels of astaxanthin. However, the demand for natural astaxanthin with higher safety and biological actividadin the fields of health products and cosmetics has led to the high price of such goods.

5 ingeniería genética para la producción comercial de astaxantina

La investigación de ingeniería genética sobre la biosíntesis de astaxantina se llevó a cabo por primera vez en algas y microorganismos, con el contenido de astaxantina en Rhodopseudomonas palustris alcanzando aproximadamente el 0,5% del peso seco celular; El contenido de astaxantina en Haematococcus pluvialis puede alcanzar alrededor del 4 al 5% del peso seco de la célula (tabla 1); sin embargo, la biomasa de estos organismos receptores es baja, y el mecanismo por el cual almacenan astaxantina aún no está claro, por lo que la producción de astaxantina es generalmente baja.

En los últimos años, muchos investigadores han utilizado cultivos amigcon el medio ambiente como biorreactores para lograr la biosíntesis de astaxantina a través de la ingeniería genética (tabla 1), método que tiene muchas ventajas, tales como bajo costo, alta operabilidad, alto rendimiento, alta biomasa y resistencia al almacenamiento.

El primer estudio sobre la transferencia del gen astaxantina fue en la planta modelo de tabaco. El gen CrtO de Haematococcus pluvialis fue transferido al tabaco, y la astaxantina fue sintetizen sus flores por primera vez [35]; Mientras que en el tabaco transgécon CrtO cianobacteritransferido, se detecketocarotenen las hojas, con un contenido de 165,00 µg·g-1 DW [44]; Al mismo tiempo, el tabaco transgénico y los tomates con expresión fusionada de CrtW y CrtZ la cantidad de astaxantina acumulada se incrementó, pero sigue siendo muy baja [45]. 

El CrtW y el CrtZ de la bacteria marina Brevundimonas sp. cepa SD212 se transformaron en tabaco por transformación de cloroplast, y el contenido de astaxantina en las hojas del tabaco transgéfue tan alto como 5,44 mg·g-1 DW [37]; Después de la transferencia del gen de la cetolasa BKT y CrtB a las patatas, las plantas transgénicas acumularon 13,90 µg ·g-1 DW de astaxantina [36]; La transferencia del gen BKT a las zanahorias resultó en una acumulación de astaxantina de 91.60 µg ·g-1 FW [38]. Chen Feng&#El equipo 39;s de la universidad de Pekín descubrió que después de transferir diferentes genes de cetolasa de algas a Arabidopsis y tabaco, el CrBKT de Chlamydomonas reinhardtii resultó en la mayor acumulación de astaxantina en plantas transgénicas, alcanzando 2,07 y 1. 60 mg ·g-1 DW[39‑40]; Además, la expresión simultánea de CrBKT y el gen hidroxiasa HpBHYde Haematococcus pluvialis en tomates resultó en la acumulación de astaxantina de 16,10 mg ·g-1 DW en frutos transgéde tomate [41].

Posteriormente, la biosíntesis de astaxantina se centró en los cultivos alimentarios. Liu Yaoguang's Team [43] reconstruexitosamente la ruta metabólica de astaxantina en el endosperma de arroz. Farré et al. [42] obtuvieron maíz transgéexpresando tanto la cepa Brevundimonas sp. SD212 Crbkt y BrcrtZ genes por la co-transformación de gengun, y la acumulación de astaxantina en sus semillas alcanzó 1 6,77 µg·g-1 DW.Liu Xiaoqing et al. [20] introdujeron genes de enzimas clave en la vía de síntesis de astaxantina en el maíz para crear germoplasma de maíz de astaxantina alta, con concentraciones de astaxantina tan altas como 47,76-111,82 mg·kg-1 DW,que es 6 veces mayor que la de granos de astaxantina transgéanteriores (Fig. 3).

6 astaxantina sistema de entrega activa

Astaxantina es una molécula altamente insaturque es extremadamente sensible a condiciones tales como altas temperaturas, exposición a la luz y oxid. Por lo tanto, astaxantina es altamente propensos a la degradación, que a su vez reduce la actividad biológica de los productos de astaxantina. Sólo mejorando simultáneamente la biodisponibilidad y estabilidad de astaxantina en el sistema de aplicación puede la producción industrial y la aplicación comercial de astaxantina ser promovido, y la protección eficaz de la salud humana se puede lograr.

Los sistemas de administración son estrategias actualmente disponibles que son altamente protectoras y prácticas, incluyendo sistemas de administración tradicionales como emulsiones, nanopartículas y liposomas. Khalid et al. [46] usaron la homogeneia alta presión y modificaron las materias primas de lecitina y caseinato de sodio (SC) para preparar una nanoemulde "aceite en agua" de astaxantina. Caseinato de sodio (SC) para preparar una nanoemulde aceite en agua de astaxantina. Ribeiro et al. [47] usaron una película premezclpara proteger la astaxantina, pero todavía se produjo cierta degradación. En la actualidad, los liposomas utilizan principalmente materiales como lecitina, dimiristoilfosfatidilcolina [48], y fosfatidilcolina de soja [49] para encapsular astaxantina. Estos materiales tienen una mayor seguridad oraly pueden ser digeridos y absorbidos por el cuerpo.

Compared to the previous two methods, nanopartículasprovide better protection and higher utilization. astaxantinais embedded in a glutaraldehyde-crosslinked chitosan matrix using the multiple emulsification/solvent evaporation method to form a powdered astaxanthin microcapsule product with a diameter of 5–50 µm. This embedding can protect astaxanthin from isomerization or chemical degradation [50]. Using DNA/chitosan (en inglés)co-assemblies as nanocarriers, astaxanthin-loaded DNA/chitosan (ADC) colloidal systems can be obtained [51], with astaxanthin content is as high as 65 µg·mL-1 .

Las nanopartículas de ADC pueden ser absorbidos por endocitosis de las células epiteliales intestinales en un corto período de tiempo, y su eficiencia de captación de especies reactivas de oxígeno es tan alta como el 54,3%, que es el doble de la astaxantina libre. Nanopartículas de biopolímero preparadas usando conjugde ácido esteáriy quitosano y tirosina sódica (NaCas) por el método ionogel pueden ser usadas para encapsular astaxantina a una concentración de hasta 140 µmol·L-1 [52]. Astaxantina también puede ser efectivamente protegido por sólidos lípidos polímero híbrido nanopartículas (SLPN) preparado por acoplin situde dextranoxiy albúmina de suero bovino [53].

La astaxantina puede interactuar con varias proteínas, y las proteínas anfifílicas son adecuadas como vehículos de entrega hidrofílica para sustancias lipofílicas. Cuando los ácidos grasos se utilizan como ligandos de proteínas, la albúmina sérica bovina (BSA) -astaxantina sistema [54] puede garantizar eficazmente la estabilidad de almacenamiento de astaxantina. Además, las simulaciones In vitro también han demostrado que los vehículos de entrega hidrófilos mejoran significativamente la biodisponibilidad de astaxantina.

Si los ácidos grasos insaturados distintos de DHA o ácidos grasos de cadena larga se utilizan en su lugar, la estabilidad de la astaxantina encapsuldisminuye, pero la biodisponibilidad aumenta. Por lo tanto, los ácidos grasos utilizados para elaborar la proteína deben seleccionarse de acuerdo con las condiciones específicas de la aplicación real. Las proteínas de papa (PP) extraídas de los subproductos del procesamiento de almidón de papa [55] también pueden formar nanopartículas con moléculas de astaxantina. Aunque sólo 80% de retención se logra después de la digestión gastrointestinal simul, el bajo costo de la materia prima puede reducir significativamente el costo de astaxantina como un suplemento dietético. Otros vehículos de entrega para sustancias hidrófobas, tales como soja − -conglicinina (− -CG) [56], también se espera que se utilice para la entrega de astaxantina en el futuro.

7 perspectivas para futuras aplicaciones de astaxantina

Polvo de astaxantinaTiene una amplia gama de funciones biológicas y por lo tanto tiene una gran demanda del mercado. Sin embargo, existen ciertas limitaciones en la actual producción industrial y aplicaciones comerciales. En la actualidad, el problema de la primera fuente de producción puede resolverse mediante la tecnología de la modificación genética. En particular, los cultivos representados por el maíz y el arroz y las frutas y verduras representadas por los tomates y la col riza se pueden utilizar como biorreactores para acumular astaxantina con una fuerte actividad biológica en grandes cantidades. En particular, las frutas y verduras que contienen astaxantina se pueden suministrar directamente al mercado, aumentando el contenido de astaxantina de las personas#39;s dieta diaria. El maíz, como un cultivo que se puede utilizar tanto para alimentos como para piensos, puede satisfacer a las personas#39;s necesidades dietéticas diarias y las necesidades de los usos industriales conexos.

Sin embargo, debido a problemas como la fragmentación de genes exógenos y la segreggénica causada por el método de transformación, así como la falta de normas de evaluación para las características de astaxantina del germoplasma relacionado, los resultados de la investigación en China no pueden satisfacer la demanda del mercado. El segundo paso de la utilización efectiva se basa en un sistema de entrega de aplicaciones razonable, y el sistema de entrega correspondiente con diferentes características se selecciona de acuerdo con el escenario de aplicación real. Con la creciente variedad de sistemas de liberación molecular hidrofóbicos activos y la tecnología relativamente madura, especialmente la tecnología de nanopartículas, astaxantina puede ser efectivamente protegido y entregado utilizando una variedad de materiales.

Si las proteínas que interactúan con astaxantina de una manera natural específica se introducen en los cultivos transgénicos existentes astaxantina, se espera que las moléculas de astaxantina puede ser simultáneamente acumulado y encapsulado en un biorreactor, y la extracción de material astaxantina y montaje del sistema de entrega se puede lograr en un solo paso. Como la demanda del mercado sigue aumentando, la investigación sobre astaxantina también profundizar, y en el futuro, la aplicación industrial de bajo costo y de alta eficiencia de los recursos de astaxantina sin duda será mejor realizado.

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