¿Cómo biosíntesis de astaxantina?

Lunastaxantinunes un pigmenacarotenosoluble en grasunoriginalmente aislado de Lande [1]. Se encuentrunen una variedad de algas, microorganismos, crustáceos y peces marinos, pero es raramente reportado en plantassuperiores [2]. Desde mediados de la década de 1980, celel descubrimiento de los antioxidantes y otras actividades biológicas de la astaxantina, se ha utilizado gradualmente en productos como la alimentación animal, alimentos saludables, cosméticos y preparados médicos. La Unión europea ha aprobado por mucho tiempo astaxantina para su uso como un suplemento dietético; La administración de alimentos y medicamentos de los Estados Unidos también ha aprobado la astaxantina como colorante de alimentos para animales y peces; China también permite el uso extensivo de astaxantina en aditivos alimentarios y piensos. Por lo tanto, la demanda del mercado de astaxantina está aumentando.

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 utilizana 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 pigmento rojo 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 quiral en el anillo final,Astaxantina tiene tres estereoisómerosLevogle (3S,3'S), dextrogire (3R,3'R) y meso (3R, 3'S) (figura 1).

Estas conformaciones diferentes de astaxantina se encuentran en la naturaleza. Por ejemplo, astaxantina en Rhodotorula glutineses una forma libre de la levo-conformación; El krill antárestá dominado por los ésteres de astaxantina de la dextroconformación; El salmón salvaje contiene principalmente astaxantina en la forma libre de la conformación levo; En Haematococcuspluvialis, es la forma libre de astaxantina con la conformación zur. Entre estos, los monoésteres representan alrededor del 80%, mientras que los diésteres representan alrededor del 15%. Los ácidos grasos que participan en la esterificación en el 3 o 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 elbiosynthetic 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. El betacaroteno es 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. Senembargo, 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 ereces la única planta superior reporthasta la fecha que es capaz de sintetizar astaxantina. Cunningham etal. [9] examinaron una biblioteca de ADNc de pétalos de Tagetes erecta para los cDNAs similares a los genes de la beta-caroten3-hidroxil(cbfd1 y cbfd2) y transfiestos dos cDNAs a La bacteria Escherichia coli (Escherichia coli).para la verificación de la función génica. Los resultados mostraron que CBFD1/CBFD2 tiene especificidad de sustry puede hidroxilel C4 de los anillos carotenoides no modificados y el C3 de los anillos carotenoides 4-keto- -, pero no puede hidroxilel C3 de los anillos no modificados o los anillos 4-hidroxi - -. El equipo además verificó este resultado en 2011 e identificó otros dos genes, hbfd1 y hbfd2, que codifican HBFD[2] y pueden deshidrogenel grupo hidroxilo en el 4-hidroxi - - --anillo para formar un 4-carbonilo - - -anillo. En la caléndula, cuando se utiliza el − -caroteno como sustrpara la síntesis de astaxantina, el CBFD primero hidroxilel C4 del anillo − -caroteno −; Entonces el grupo hidroxilo en este sitio es deshidrogenado por HBFD para formar un grupo carbonilo; Por último, CBFD añade un grupo hidroxilo a la C3 del 4-carbonilo - - - - anillo para formar astaxantina.

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 elConversión de − -caroteno a astaxantinaHidroxilación 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. Senembargo, 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 fende 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].

Además de los productos acuáticos, astaxantina también se puede utilizar en la alimentación de aves de corral. La adición de 10 mg·kg-1 de astaxantina natural a la alimentación de los patos de carne puede deposiefectivamente en los patos, haciendo que los picos y espinde los patos vivos para asumir un color amarillo dorado natural y saludable. También puede inhibir eficazmente la peroxidlipíen los músculos y mejorar el valor nutricional [19]. El uso de maíz alto en astaxantina para reemplazar completamente el maíz en el pienso tradicional para alimentar a las gallinas ponedoras (figura 3) puede producir huevos con niveles de astaxantina de 12.10-14.15 mg·kg-1 en la yema, con cada huevo que contiene cerca de 540 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 singlety 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; Senembargo, 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 etal. [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

Además de la síntesis química, astaxantina también se puede extraer de los organismos que contienen astaxantina de forma natural. Los métodos de extracción existentes principalmente extrade astaxantina de organismos como Haematococcus pluvialis, cromatococcus purpureus, Rhodopseudomonas palustris, y conchas de crustáceos. La forma de astaxantina en diferentes especies es diferente, y la producción generalmente requiere la extracción de la más estable all-trans astaxantina. En la actualidad, en la producción industrial, astaxantina natural con configuración all-trans sólo se puede extraer de Haematococcus pluvialis, pero las algas tienen un ciclo de crecimiento largo, baja biomasa, y la inducde la acumulación de astaxantina por los conflictos de tensiones adversas con la acumulación de biomasa celular, lo que resulta en un contenido de astaxantina de 1% a 5% en Haematococcus pluvialis [31]. Aunque la levadura roja Rhodotorula glutinis tiene una tasa de crecimiento rápido y alta biomasa, su contenido de astaxantina es de sólo 0,4% [31]. El método de extracción de astaxantina de crustáceos descartados es costoso, tiene un bajo rendimiento y baja pureza, y por lo tanto se utiliza raramente. En general, los métodos de producción industrial existentes tienen más o menos los problemas de ser técnicamente difíciles, costosos de producir y dar bajos niveles de astaxantina. Senembargo, la demanda de astaxantina natural con mayor seguridad y actividad biológica en los campos de productos para la salud y cosméticos ha dado lugar al alto precio de estos productos.

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); senembargo, 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.

En comparación con los dos métodos anteriores, las nanopartículas proporcionan una mejor protección y una mayor utilización. La astaxantina está empotrada en una matriz de quitosana reticula glutaraldeusando el método de emulsificación múltiple/evaporpor solvente para formar un producto de microcápsula de astaxantina en polvo con un diámetro de 5-50 µm. Esta incorporación puede proteger astaxantina de isomerio degradación química [50]. Usando coconjuntos de ADN/quitosano como nanoportadores, se pueden obtener sistemas coloidde ADN/quitosano (ADC) cargados con astaxantina [51], con un contenido de astaxantina tan alto como 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 acoplensitude 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 DHuno 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. Senembargo, 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.

Senembargo, 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 senduda será mejor realizado.

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