¿Cómo sintetizar betacaroteno?

carotenoidesare orange-coloured carotenoidesprimarily found enfruits, vegetables, yalgae. β-carotene, asunmember deeltetrapterene family, possesses significant biological value, serving as an antioxidant amejorarhuman immunity yexhibiting anti-cancer properties [1]. It esalso a precursor avitamenunyhas numerous applications enpharmaceuticals, nutritional supplements, cosmetics, yfood [2]. With elcontinuous improvement depeople's el valor comercial de los complementos nutricionales está aumentando gradualmente y las perspectivas de mercado son prometedoras. Los carotenoides han ganado una amplia atención, particularmente el beta-caroten, astaxantina, licopeny luteína. Según las previsiones, se espera que el tamaño del mercado mundial de carotenoides crezca de 2 mil millones de dólares en 2022 a 27 mil millones de dólares en 2027, con una tasa de crecimienaanual compuesto (CAGR) del 5,7%.

Actualmente, la producción de caroteno se basa principalmente en la extracción natural, síntesis química y síntesis microbiana [3]. La extracción Natural generalmente implica la extracción de carotenoides de plantas, verduras y algas, con procesos de purificación difíciles y bajos rendimientos. La síntesis química se enfrenta a problemas como las reacciones de varios pasos, los procesos no amigcon el medio ambiente, y la producción de subproductos y sustancias dañinas. La síntesis microbiana ofrece ventajas tales como un alto rendimiento del producto, no formación de subproductos, bajos costos de producción, condiciones de producción suaves, requerimientos de mano de obra reducidos y procesos ambientalmente amig. Por lo tanto, la construcción de fábricas de células microbipara la síntesis heteróloga de − -caroteno ha atraído cada vez más la atención de los investigadores.

Debido a sus numerosas funciones biológicas, la demanda del mercado para el beta-carotenestá creciendo rápidamente, lo que requiere el desarrollo de nuevas plataformas de producción biotecnológica. La investigación sobre la síntesis del caroteno usando biología sintética ha hecho progresos significativos, tales como estrategias innovadoras de ingeniería metabólica, la optimización de las condiciones de fermentación, y la diversificación de la selección de células del chasis, que han aumentado significativamente el rendimiento del caroteno. Senembargo, debido a las limitaciones de la biotecnología, todavía hay una brecha considerable antes de que se pueda lograr la producción a escala industriAl.Por lo tanto, este artículo revisa las propiedades fisicoquímicas, las vías biosintéticas, y el estado actual de la investigación del -caroteno, resume sistemáticamente las estrategias de ingeniería metabólica para la síntesis del -caroteno, e identifica los desafíos y las futuras direcciones de investigación para la producción del -caroteno usando tecnologías de biología sintética. Este estudio tiene como objetivo proporcionar una referencia para la construcción de fábricas de células microbipara el beta-caroteny otros productos naturales.

1 propiedades y funciones físicas y químicas

− -caroteno es un compuesto isoprenoide, un carotenliposoluble que se encuentra en plantas y microorganismos, con la fórmula química C40H56, con un peso molecular de 536,88 y un punto de fusión de aproximadamente 178 β C. − -caroteno es un compuesto de tetrapterona compuesto de ocho unidades de isopreno y dos anillos − -carotenoides, con su molécula que consiste enteramente de átomos de carbono e hidrógeno, y la estructura del núcleo que contiene 40 átomos de carbono.

En la naturaleza, la mayoría− -carotenexiste en la forma all-transUna pequeña proporción en la estructura cis, como se muestra en la figura 1. El − -caroteno exhibe lipofiliy alta hidrofobicidad debido a sus dobles enlaces conjugy simetría central [4]. β -caroteno tiene diferentes solubilidades en varios disolventes, siendo fácilmente soluble en disolventes orgánicos como cloroformy acetona, pero insoluble en agua. Esta sustancia es inestable a la luz y al calor, propensa a la descomposición, y requiere almacenamiento a bajas temperaturas lejos de la luz [5]. Durante la extracción de -caroteno, antioxidantes como la vitamina Co 2,6-di-tert-butyl-p-cresol se añaden a menudo para prevenir la oxidy la descomposición, mejorando así Estabilidad.

− -caroteno tiene múltiples efectos preventivos y terapéuticos sobre las enfermedades y es beneficioso para la salud humana. En primer lugar, el beta-carotentiene un efecto preventivo contra el cáncer. La investigación ha mostrado que existe una relación significativa entre el consumo de → -caroteno y el riesgo de cáncer de pulmón, lo que significa que un consumo más alto de → -caroteno ayuda a reducir el riesgo de cáncer de pulmón [6]. En segundo lugar, el -caroteno también tiene la función de prevenir enfermedades cardiovasculares al inhibir la capacidad de los macrófagos de modificar oxidativamente las lipoproteínas de baja densidad, reduciendo así el riesgo de aterosclerosis y disminuyendo la incidencia de enfermedades cardiovasculares y muertes relacionadas [7].

Vale la pena señalar, betacaroteno, como un potente antioxidante, puede eliminar los radicales libres de oxígeno en el cuerpo humano y posee una capacidad de extinción de oxígeno singlete altamente eficiente. Además, como un compuesto de provitamina a, el beta-carotenes una fuente importante de vitamina a, jugando un papel crucial en la diferenciación celular, el desarrollo embrion, y la prevención de la enfermedad del ojo seco. También ayuda a fortalecer el sistema inmunológico y aumentar la resistencia a las infecciones [8]. Los posibles beneficios para la salud del -caroteno continúan siendo explorados, y el desarrollo y uso de alimentos funcionales ricos en -caroteno son cada vez más frecuentes [9]. Por lo tanto, el desarrollo de fábricas de células microbipara la síntesis eficiente de -caroteno a través de métodos biotecnológicos tiene una aplicación significativa en el mercado Valor.

2 β -carotenbiosintéticoPathway (en inglés)

Carotenoids are tetrapteroid compounds with an isopentenyl diphosphate (IPP) skeleton. The biosíntesisdeβ-carotene is part deelcarotenobioSintéticas sintéticas sintéticaspathway. IPP ydimethylallyl diphosphate (DMAPP) are elinitial structural units paraelsynthesis delycopene, β-carotene, yother carotenoids [10]. The synthesis deIPP yDMAPP primarily occurs through two pathways: elisoprenylation caminoyelisoprenyl-diphosphate camino(IDP).  DMAPP) son las unidades estructurales iniciales para la síntesis de licopeno, beta-caroteny otros carotenoides [10]. La síntesis de IPP y DMAPP se origina principalmente de dos vías: la vía del ácido mevalónico (MVA) en el citoplasma y la vía del metileritritol fosfato (MEP) en los plástidos. La vía biosintética del beta-carotenpuede ser dividida en componentes aguas arriba y aguas abajo. La vía ascendente biosintética implica la utilización de las vías MVuny MEP para obtener el precursor de cinco carbono IPP,formando el módulo biosintético IPP. La vía aguas abajo implica la conversión del precursor de cinco carbonen − -caroteno, formando el módulo biosintético − -caroteno (figura 2).

2.1 IPP Biosynthetic Module

La vía del MVunestá presente en la mayoría de los eucariotas, arqueas y plantas superiores. Utiliza acetil-CoA producido por glucólisis como sustriniciAl.Dos moléculas de aceil-coa se convierten en acetil-CoA (acetoacetil-coa) por la acetil-CoA tiolasa (AACT), y luego la acetil-CoA se reduce a AACoA por la acetil-CoA reductasa (ACAR). AACoA es oxidado a acetil-CoA por acetil-CoA oxid(ACO), y el producto final es MVA. AACoA), que luego es condensada por la hidroximetilglutaril-coa sintasa (HMGS) para formar 3-hidroxi3-metilglutaril-coa (HMG-CoA). Finalmente, la HMG-CoA es reducida a MVA por la hidroximetilglutaril-coa reductasa (HMGR), una reacción irreversible que constituye el principal paso limitante de la vía del MVA [11]. Posteriormente, bajo la catálisis secuencial de múltiples enzimas, MVA se convierte en IPP a través de fosforilación y descarboxilación. IPP puede ser isomerien DMAPP por isopentenil difosfato isomerasa (IDI).

La vía MEP, presente en muchas bacterias, algas y plantas, utiliza piruvato y glicer3-fosfato como sustr. Bajo la catálisis de 1-desoxid-xilulosa-5-fosfato sintasa (DXS), DXS) para formar DXP. Entonces, la 1-deoxy-d-xilulosa-5-fosfato reductoisomerasa (DXR) convierte DXP en MEP, que se convierte en IPP y DMAPP por múltiples enzimas. DXS e IDI se consideran las enzimas limitantes en la vía de isopentenilación. La mejora de la actividad de estas enzimas puede aumentar la producción de → -caroten[12]. Además de la síntesis de carotenoides, la IPP y el DMAPP son también precursores para la síntesis de muchos fármacos importantes, como la artemisinina, el ácido oleanólico y el escualeno.

2.2 β-módulo de biosíntesis de caroten.

En el módulo de biosíntesis de − -caroteno, IPP sufre condensy ciclación bajo la biocatálisis de una serie de enzimas para formar − -caroteno. La síntesis de − -caroteno ocurre principalmente en los cloroplastde algas o en el citoplasma de microorganismos. Específicamente, las moléculas IPP y DMAPP producidas por las rutas MVA y MEP experimentan reacciones enzimconsecutivas para condensar y formar de forma secuencial pirofosfato de geranilo (GPP), pirofosfato de farnesilo (FPP), y pirofosfato de gerangeranilo (GGPP). FPP), y geranilgeranilo pirofosfato (GGPP).

Dos moléculas de GGPP se convierten primero en fitoeno por la fitoeno sintasa (CrtB), y luego se convierten en licopenpor fitoeno desaturasa (CrtI). El licopenformado puede ser ciclado en − -caroteno bajo elCatálisis del licopen.− -ciclas(CrtY), o servir como precursor para la síntesis de otros carotenoides. En estudios, se encontró que CrtYBes una enzima bifuncional capaz de convertir GGPP en octahidrolicopeno y cicllicopenen − -caroteno [13]. CarRP de Mucor circinelloides es también una proteína con dos actividades enzimdistintas, exhibisimultáneamente la actividad catalítica de octahidrolicopeno sintasa y licopeno ciclas[14]. Además, IWASAKA descubrió una enzima trifuncional, CrtIBY, en Aurantiochytrium sp. Cepa KH105, que puede convertir directamente GGPP en − -caroteno [15].

3 avances recientes en la síntesis microbiana de − -caroteno

Debido al potencial valor comercial del -caroteno, la construcción de fábricas de células microbipara la producción de -caroteno ha atraído una creciente atención. Usando técnicas de biología molecular, múltiples genesclave de la vía de síntesis de − -caroteno han sido sobreexpresados, aumentando significativamente la acumulación de − -caroteno en bacterias, Levy algas. Actualmente, los principales microorganismos de chasis utilizados para la producción de beta-carotenincluyen Escherichia coli, Saccharomycescerevisiae, y Lipolytikus brevis, entre otros, con algunos logrando rendimientos considerables. Las estrategias de modificación específica y los rendimientos se enumeran en la tabla 1.

Escherichia coli es un microorganismo modelo ampliamente utilizado. Debido a su fondo genético claro, manipulación genética simple, y rápida tasa de crecimiento, Escherichia coli se ha convertido gradualmente en una de las células de chasis más comúnmente utilizadas para construir fábricas de células microbianas, por lo que es una célula huésped ideAl.Dai etAl.utilizaron una biblioteca RBS para regular la expresión de los genes clave DXS,idi y CRTen la vía de síntesis de beta-caroten, aumentando así la producción de beta-caroten. La regulación combinada de los genes CRToperon, DXS e idi resultó en un aumento del 35% en la producción de beta-caroten[16]. El precursor de la pentosa IPP y los cofactores son dos factores importantes en la producción de terpenoides. Por lo tanto, al sobreexpresar la enzima limitante de la velocidad DXS en la vía MEP en Escherichia coli para aumentar el flujo de carbono de la IPP, el rendimiento de los carotenoides aumentó 3,5 veces [17].

Zhao etAl.integraron los genes de síntesis de beta-carotende Pantoea en el genoma de Escherichia coli, luego diseñmódulos metabólicos centrales para aumentar el suministro de precursores (IPP y DMAPP) y cofactores (ATP y NADPH), mejorando así la producción de -caroteno, seguido por la fermentación por lotes, resultando en la producción de -carotende de 2,1 g/L [18]. La vía MVA tiene un potencial significativo para la síntesis de compuestos isoprenoides. La expresión heteróloga de la vía completa de MVA y los genes de síntesis de beta-carotenen Escherichia coli aumentó la producción de beta-carotena 465 mg/L [19]. En la ingeniería de Escherichia coli, Yang sobreexpresó simultáneamente las vías de MEP y MVA para aumentar las concentraciones de IPP y GPP intrac, lo que resulta en un aumento significativo en la producción de beta-caroten, con un rendimiento de fermentación final de 3,2 g/L [20].

Baker&#La levadura 39;s es ampliamente reconocida como una cepa de levadura segura debido a su simplicidad en la manipulación genética y la tolerancia a las condiciones de producción, por lo que es ampliamente utilizado en la producción industrial como un anfitrión para la síntesis de varios compuestos de alto valor añadido. Aunque Saccharomyces cerevisiaeno produce naturalmente -caroteno, sí sinteel importante precursor compuesto caroten-1,2,3,4,5,6,7,8,8,9, 10-decahidro-1, 10-dihidroxy-10-metoxi-9, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1, 10-dihidroxy-1,10-d

YAMANO etAl.primero reportaron la producción heteróloga de -caroteno en Saccharomyces cerevisiae. Lograron la producción de licopeny − -caroteno mediante la expresión de los genes crtE,crtB, crtI y crtY de Pantoea ananatis; Senembargo, el rendimiento fue muy bajo, de solo 103 μg/g [21]. Para aumentar aún más la producción de acaroteno, VERWAAL etAl.regularon la expresión de genes clave y establecieron preliminarmente una fábrica de células de acaroteno en Saccharomyces cerevisiae. Sobreexpresaron GGPP sintasa y tHMG1, y la recombinsaccharomyces cerevisiaefinalmente se produjo5.9 mg/g deβ-carotene [22]. Maintaining Metabolismo metabólicoflujobalance and controllable gene expression during biosíntesisare critical parathe efficient produccióndehigh-value-added chemicals. Xie etAl.took FPP, a key metabolic intermediate enthe β-carotene biosynthetic pathway, as a node paraordered regulation, adjusting downstream flux, enhancing precursor supply, and inhibiting competitive pathways, achieving β-carotene producciónde376 mg/L through fermentation [23].

Fan etAl.combinmúltiples estrategias metabólicas para optimizar la ruta del metabolismo del carbono, mejorar el suministro de acetil-CoA precursor, debilitar la ruta de síntesis de ergosterol, y aumentar la capacidad de almacenamiento de beta-caroten. También optimizaron el sistema GAL inducido por iones de cobre para mejorar la biomasa de Saccharomyces cerevisiae. Después de múltiples modificaciones de la estrategia, el título de − -carotenalcanzó aproximadamente 166 mg/L,que es cinco veces más alto que el de la cepa parental antes de la modificación [24].

La levadura modificada lipoliticamente es un prometedor hongo no modelo que no puede sintetizar naturalmente el beta-caroten, pero puede producir grandes cantidades de precursores de aceticoa y acumular un contenido significativo de lípidos. Dado que el caroteno es un compuesto lipofílico, la levadura lipolimodificada puede servir como un excelente huésped para la sobreproducción de caroteno. Actualmente, varias herramientas de manipulación genética han sido desarrolladas y utilizadas, con un número creciente de investigadores que realizan modificaciones de ingeniería. Jing etAl.primero sobreexpresó genes exógenos en la levadura Lipolytococcus, construyó una vía de biosíntesis de caroten, y eliminlos pasos que limitan la velocidad en la vía del MVA a través de la ingeniería metabólica. Además, mejoraron aún más la capacidad de síntesis de lípidos de la cepa de ingeniería e incrementaron el número de copias de genes clave en la vía biosintética, obteniendo una cepa de ingeniería capaz de sintetizar de manera eficiente el beta-caroten. La fermentación por lotes alimentados produjo 2,7 g/L de − -caroteno. Los resultados indican que el aumento de lípidos intracelulares promueven la síntesis de beta-caroten, y la expresión de múltiples copias de genes clave es una estrategia importante para mejorar el flujo metabólico [25].

Gao used a strong promoter and overexpressed the β-carotene biosynthetic pathway, resulting enβ-carotene yields over 100 times higher than the wild-type strain. Using an optimised medium parafed-batch fermentation, 4 g/L deβ-carotene was produced. This study indicates queLipolysichlorella is an ideal host paraheterologous synthesis De − -caroteno[26]. LARROUDE combined traditional metabolic ingenieríaestrategiaswith novel synthetic biologíatools to enhance lípidossynthesis and gene copy number, and used optimal promoters to increase metabolic flux toward the MVA pathway, significantly improving β-carotene yield. Batch fed-batch fermentation yielded a total β-carotene producciónof 6.5 g/L [27]. The integration of metabolic ingenieríastrategies with fed-batch fermentation processes provides a new enfoqueparathe synthesis of carotenoids and other terpenoids using lipase-degrading yeast.

4 estrategias de optimización

Con la continua innovación y desarrollo de la biotecnología, el beta-carotenpuede ser rápida y convenientemente sintetizheterólogamente en microorganismos tales como levlipolytikus y Escherichia coli a través de ingeniería metabólica y tecnologías de biología sintética, lo que lleva a continuos avances en la producción de beta-caroten. Para seguir explorando métodos para mejorar la producción de caroteno y lograr mayores beneficios económicos, todavía se requieren estrategias innovadoras de ingeniería metabólica. En la actualidad, se han identificado varias estrategias para aumentar la producción de caroteno, centrándose principalmente en el suministro de NADPH y ATP, suministro de precursores de acetil-CoA,supresión de las vías competitivas, compartimentalización celular y aumento de la síntesis de lípidos (figura 3).

4.1 NADPH y suministro de ATP

ATP y NADPH son dos cofactores importantes para la producción de terpenoides. Los niveles de estos cofactores dentro de las células determinan el flujo metabólico, ya que participan en las reacciones enzimy regulan los Estados de equilibrio químico. Por lo tanto, la regulación de los niveles de cofactores intracelulares puede aumentar el flujo metabólico hacia la síntesis de beta-caroten. El NADPH es el principal proveedor de equivalentes reducnecesarios para el metabolismo biosintético y un factor reducesencial que protege a las células del estrés oxidativo. Además, NADPH se ha informado como el principal factor limitante de la velocidad para la síntesis de lípidos en la levadura degradante de lípidos [38].

El ATP juega un papel crucial en la biosíntesis, la regulación metabólica y el mantenimiento del crecimiento celular. Regular el suministro de ATP dentro de las células puede regular eficazmente el metabolismo celular [39]. Las vías MVA y MEP requieren más de 17 reacciones enzimy la regeneración de coenzimas. La síntesis de una molécula de IPP a través de la vía MVA consume dos moléculas de NADPH y tres moléculas de ATP, mientras que la vía MEP requiere tres moléculas de NADPH y dos moléculas de ATP [40]. Por ejemplo, en la levadura, la reducción de HMG-CoA a metileneglicolato por HMGR requiere NADPH como cofactor [41].

Por lo tanto, algunos investigadores han intentado mejorar el rendimiento de caroteno aumentando el suministro de NADPH. Zhao etAl.construyó una vía de síntesis de acaroteno en E. coli y diseñó un módulo metabólico central para aumentar el suministro de ATP y NADPH,para mejorar la producción de acaroteno. Después de regular los genes implicados en la síntesis de ATP, la vía de la pentosa fosfato y el ciclo del ácido tricarboxílico, la producción de beta-carotenaumentó en un 21%, 17% y 39%, respectivamente. La optimización combinada de los módulos TCA y PPP exhiun efecto sinérgico en la producción de → -caroteno, lo que resulta en un aumento del 64% en el rendimiento de → -caroten[18].

Liu etAl.investigaron las fuentes potenciales de NADPH en Saccharomyces cerevisiae. Además de la vía de la pentosa fosfato, que proporciona NADPH al citoplasma, el ciclo de manitol, acidasa málico, aldehído deshidrogenasa, y glutamato deshidrogenasa todos participan en la generación de NADPH citoplasen Saccharomyces cerevisiae, que se utiliza para la biosíntesis de lípidos [42]. En la ruta biosintética de los carotenoides, elPrecursor del beta-carotenes el licopen.. En Sun etal.&#Estudio 39;s, mediante la regulación de la expresión de genes que codifican -cetoglutarato deshidrogenasa, succinato deshidrogenasa, y aldolasa B en el módulo metabólico central, el suministro de NADPH y ATP se increment, lo que resulta en un aumento de 76% en la producción de licopeno, lo que podría proporcionar información para la biosíntesis de -caroteno [43].

4.2 aumento del suministro de acetil-CoA precursor

La levadura lipolisable es un huésped ideal para la síntesis de carotenoides, con un alto flujo de acetil-CoA intrac, que sirve como materia prima para la vía del MVA. El suministro adecuado de aceticoa es crucial para la síntesis de compuestos terpenoides. El aumento del suministro intracde de acetil-CoA facilita la síntesis de beta-caroten. La mayoría de acetil-CoA en el citoplasma es producido por la ATP citrato liasa (ACL) de ATP, que luego es escindipor citrato de la mitocondria en oxaloacey acetil-CoA [44].

Para mantener altos niveles de acetil-CoA en el citoplasma, el citrato debe fluir continuamente fuera de la mitocondria para hidróli. Zhang etAl.sobreexpresó AMPDen Saccharomyces cerevisiae, inhibiendo la actividad de isocitrato deshidrogenasa, aumentando así los niveles de citrato y acetil-CoA [45]. Fan etAl.investigaron el efecto del suministro de acetil-CoA intracen la producción de − -carotenmediante la construcción de una vía heteróloga PK/PTA,mejorando la vía de la pentosa fosfato, y la inhibide la vía glucolítica endógena en Saccharomyces cerevisiae para aumentar el suministro de acetil-CoA, en última instancia, lograr un rendimiento de 105,94 mg/L en la cepa de ingeniería, lo que representa un aumento del 56% en comparación con la cepa de control [24]. Jenadoptó una estrategia diferente para mejorar la entrada de acetil-CoA en la vía MVA mediante la sobrexpresión de TGL3, PXA1, MFE1, POT1, y PEX10 para mejorar la oxidde ácidos grasos, debilitando la vía de síntesis de lípidos para recuperar aceticoa a partir de lípidos, lo que aumenta el flujo de carbono en la vía de síntesis de beta-caroten[46].

4.3 aumento de la acumulación de lípidos

− -caroteno es un compuesto lipofílico almacenprincipalmente en membranas celulares y gotitas de lípidos. WU WUmodificó la membrana celular en E. coli a través de la ingeniería de membrana para mejorar su capacidad de almacenar → -caroteno, mientras que la modificación de la morfode la membrana y las vías de síntesis de lípidos mostraron efectos sinérgicos, lo que resulta en un aumento de 2,9 veces en el rendimiento de → -caroten[28]. ZHAOetAl.se propuso aumentar la acumulación de caroteno en Saccharomyces cerevisiae mediante el uso de ingeniería metabólica para mejorar el contenido de lípidos, el diseño de diferentes vías de metabolismo de lípidos en cepas productoras de caroten, donde la sobreexpresión de las acitransferasas esterare1 y ARE2 aumentó la producción de caroteno en 1,5 veces, y la supresión de la fosfolipasa PAH1, DPP1 y LPP1 duplicó la producción de caroteno. La combinación de estas dos estrategias resultó en un aumento de 2,4 veces en la producción de beta-carotenen comparación con la cepa original [33].

La levadura lipolítica es una levadura naturalproductora de aceite, por lo que es más adecuada que brewer's levadura para producir hidrofóbica − -caroteno. Senembargo, dado que la síntesis de lípidos y la síntesis de -caroteno requieren acetil CoA como precursor, es necesario investigar cómo equilibrar la distribución de flujo entre estas dos vías sintéticas para lograr un estado óptimo para aumentar aún más la producción de -caroteno. LARROUDE etAl.construyeron una cepa de levadura de Saccharomyces productora de lípidos capaz de una alta producción de lípidos y beta-caroten. En comparación con la cepa control, la acumulación lipídica aumentó en 3,6 veces, con producción de -carotende de 8,9 mg/g DCW y 35,7 mg/L,que fueron 2,61 veces y 1,93 veces mayores que el control, respectivamente [27].

4.4 regulación a la baja de las vías competitivas

En la ruta biosintética del caroteno, IPP y DMAPP sirven como principales intermediarios metabólicos, que se condensan secuencialmente para producir GPP, FPP y GGPP. Bajo la catálisis de varias enzimas, estos intermediarios generan monoterpenos, sesquiterpenos, diterpen, triterpen, y tetraterpen[47]. Para redirigir el flujo metabólico hacia la síntesis de beta-caroten, a menudo es necesario inhibilas vías competitivas, suprimir las reacciones secundarias y mejorar el rendimiento del producto objetivo. La vía de síntesis de ergosteroles una vía competitiva para la síntesis de beta-caroten, pero el ergosterol es un componente de las membranas celulares, y su ausencia conduce a graves defectos de crecimiento [48].

Para mantener el crecimiento normal de las células y aumentar el flujo metabólico de caroteno, KILDEGAARD etal. regulabajo la biosíntesis de ergosterol en la levadura defectude lisina mediante la trundel promotor natural o el uso de un promotor débil. El título − -carotende de la cepa resultante aumentó de 2 a 2,5 veces, con el título más alto observado cuando el promotor se redujo a 50 BP, alcanzando 797,1 mg/L [49]. Fan etal. introdujeron una secuencia de plagas en el N-terminal de squalene sintasa para reducir la estabilidad de proteínas y debilitar la síntesis de ergosterol. Los resultados mostraron que la introducción de la secuencia de plagas redirigió el flujo metabólico de la vía de síntesis de ergosterol a la vía de síntesis de -caroteno, lo que aumenta el rendimiento de -caroten[24]. Cao adoptó una estrategia similar para debilitar la biosíntesis de ergosterol mediante la sustitución de su promotor nativo con un promotor HXT1 débil para regular hacia abajo la expresión de ERG9 [44].

4.5 estrategias de compartimentación

Las estrategias de compartimentación también pueden inhibir la transferencia del flujo metabólico a vías competitivas, sirviendo como una estrategia reguladora eficaz para mejorar la eficiencia de la producción de las fábricas de células microbianas [50]. La compartimentación se refiere a la división de diferentes regiones funcionales dentro de una célula en compartimentos distintos, principalmente incluyendo mitocondri, peroxisomas, el retículo endoplásmico, y el aparato de Golgi [51]. Cada compartimento celular posee un ambiente fisicoquímico único con distintos metaboli, enzimas y cofactores. Utilizar la compartimentalización celular puede promover la síntesis de compuestos terpenoides [52]. Las vías de ensintracpueden reducir la interferencia entre las vías endógenas y exógenas, aumentar la concentración de sustry enzimas en espacios específicos, mejorando así las tasas de reacción y la eficiencia de producción. Además, pueden restringir los intermediarios metabólicos clave dentro de los compartimentos, inhibiendo su transferencia a las vías competitivas. Las mitoconson orgánulos semiautónomos. MATSUMOTO intentó localizar la vía de síntesis de carotenoides a la mitoconpara mejorar la producción de carotenoides en Saccharomyces cerevisiae. En comparación con las cepas que expresan la vía de síntesis de carotenoides en el citoplasma, la producción de carotenoides aumentó 13,82 veces con la síntesis compartimentada [53].

El isopreno es un precursor de la síntesis de beta-caroten. El Lv combinla ingeniería mitocondrial con la ingeniería citoplasmática para utilizar aceticoa de forma integral. En comparación con las cepas recombinantes que utilizan ingeniería mitocondrial o citoplasmática sola, los niveles de isopreno aumentaron en 2,1 veces y 1,6 veces, respectivamente. Esta estrategia proporciona un método eficaz para mejorar los niveles de isopreno en la levadura, y también puede ser aplicable a la biosíntesis de beta-caroten[54]. El beta-caroteny la astaxantina son ambos carotenoides. Ma localizó la vía de síntesis de astaxantina a los liposomas, el retículo endoplásmico, y el peroxisoma, respectivamente. En comparación con la vía citosólica, la localización de la vía de síntesis a orgánulos subcelulares aumentó significativamente el rendimiento, no sólo acelerando la conversión de − -caroteno a astaxantina, sino también reduciendo significativamente la acumulación de intermediarios. Adicionalmente, al localizar simultáneamente la vía de síntesis de astaxantina al retículo endoplásmico, peroxisomas, y el retículo endoplásmico, se logró el mayor rendimiento de astaxantina de 858 mg/L [55].

5 resumen y perspectivas

− -caroteno ha sido ampliamente aplicado en elIndustrias de alimentos, suplementos nutricionales, farmacéutica y cosmética. En los últimos años, su demanda en el mercado ha seguido expandiéndose, por lo que el establecimiento de un método de producción eficiente, amigable con el medio ambiente y sostenible para el beta-caroten. Con el rápido desarrollo de la ingeniería metabólica y la biología sintética, así como la continua investigación en profundidad sobre sus vías biosintéticas, la construcción de fábricas de células microbipara la producción de beta-carotense ha convertido en uno de los métodos de producción más promete. Este documento proporciona una visión general del método de síntesis de beta-carotenusando microorganismos, centrándose en los últimos avances de la investigación y resumiendo las estrategias de ingeniería metabólica comúnmente utilizadas. Actualmente, las estrategias para aumentar la producción de caroteno incluyen principalmente el suministro de acetil-CoA precursor, proporcionando cofactores como el ATP y el NADPH,aumentando la acumulación de lípidos, disminuyendo la regulación de las vías competitivas, y estrategias de compartimentalización. La optimización de las vías MVA y MEP es un método común para aumentar el flujo de IPP. Además de las estrategias de ingeniería metabólica antes mencionadas, la introducción de vías no nativas para mejorar el suministro de precursores puede afectar significativamente la producción de beta-caroten. Por ejemplo, al introducir una vía artificial de utilización de isopentenol (IUP) en levde lipase-deple, los niveles de IPP y DMAPP se incrementen en 15,7 veces, lo que conduce a un aumento significativo en la producción de carotenoides [40]. Por lo tanto, el uso de microorganismos para la producción de beta-carotentiene un gran potencial para el desarrollo futuro.

Aunque se han hecho progresos significativos en la investigación de la biosíntesis del beta-caroten, la construcción de fábricas de células microbisigue siendo un reto complejo y multifactorial. Como resultado, la biosíntesis de beta-carotentodavía se enfrenta a numerosos problemas, y pocos microorganismos modificados pueden lograr la producción a escala industrial. Son necesarias nuevas reformas e innovaciones en los métodos biotecnológicos. Por ejemplo, las características genéticas de los microorganismos limitan su aplicación en la producción. Al construir vías biosintéticas, mientras que algunos procesos microbise centran en la integración genómica, la mayoría de los microorganismos todavía dependen de la expresión plásmica, que a menudo requiere un amplio uso de antibióticos y aumenta la carga metabólica. Además, la expresión plásmica es propensa a la inestabilidad genética. Por lo tanto, se necesitan herramientas de manipulación genética más eficientes y rápidas para abordar este problema, como el sistema de edición de genes CRISPR/Cas9. SCHWARTZ desarrolló una herramienta basada en CRISPR/Cas9 para la orientación y la integración sin etiquetas de genes objetivo en el genoma de Lipolytococcus lactis [56].

Enzymes play a crucial role in the construction of célulafactories. Enzymes from different sources may exhibit varying expression levels when heterologously expressed in the host, necessitating careful selection of Enzima enzimasources or targeted enzyme modification. Kang utilized RIAD-RIDD Asamblea Asamblea Asamblea Asamblea Asamblea Asamblea Asamblea Asamblea Asamblea Asamblea Asamblea Asamblea Asamblea Asambleato construct an Idi-CrtE multi-enzyme complex, linking metabolic pathways, significantly increasing the flux of carotenoids [57]. β-carotene is an intracellular product that requires cell lysis and organic solvent extraction during extraction. Additionally, β-carotene is extremely unstable and sensitive to light and heat, prone to oxidative degradation. Therefore, the choice of cell disruption method significantly influences β-carotene extraction efficiency, necessitating careful selection of appropriate extraction methods to ensure its stability. Further research intoβ-carotene extraction processes is required. Addressing these challenges may accelerate the industrial application of β-carotene and provide insights for the producciónof other carotenoids.

referencia

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