Estudio sobre la síntesis de astaxantina por método de fermentación microbiana

Astaxantinunes un carotende tipo ceto-rojo anaranjado cellunfórmulunmolecular C40H52O4 y el nombre químico 3,3' dihidroxy-4,4'-dione-beta,beta' -caroten[1-2]. Lunastaxantinunes insoluble en agua, soluble en grasa, soluble en disolventes orgánicos como benceno, cloroform, acetonuny disulfurde de carbono, y ligeramente soluble en disolventes orgánicos polares como metany etanol [3]. La astaxantina es un tetraterpenoide compuesapoocho unidades de isopreno Unidaspor enlaces dobles conjug, celgrupos hidroxilo y cetona insaturados en los extremos de los enlaces dobles conjug[4]. Por lo tanto, astaxantina existe en diferentes conformaciones (figura 1), incluyendo: levorotario (3S,3'S), dextrorotary (3R,3'R) y racemic (3S,3'R) [5]. Entre ellos, el (3S,3'S) isómero es el más común astaxantina conformación en la naturaleza y también el que tiene la mayor actividad antioxidante, seguido por el (3R,3'R) y (3S,3'R) conformaciones [6].

Astaxantina tiene un valor de aplicación muy alto. Su larga cadena de polienos conjugpuede apagar el oxígeno singlet, eliminar radicales libres, mejorar la actividad celular y proteger los lípidos del cuerpo humano, mejorando así la inmunidad y el anti-envejecimienahasta cierapunto. Algunos estudios handemostrado que astaxantina#39; capacidad antioxidante s es 6.000 veces la de la vitamina C,por lo que es el antioxidante más fuerte reportado en la naturaleza [7-9]. Al mismo tiempo, puede prevenir la mayoría del estrés oxidativo y la inflamación relacionada, incluyendo hipertensión, cáncer, obesidad, enfermedades cardiovasculares, enfermedades inflam, enfermedades de los huesos, enfermedades de la piel, etc., por lo que puede ser utilizado como una preparación multi-objetivo de fármacos [10]. Por ejemplo, Lignell etAl.[11] mostraron que los medicamentos que contienen astaxantina administrados por vía oral pueden mejorar significativamente la fuerza muscular y la resistencia al ejercicio.

Astaxantina es también un agente colornaturalque existe en diferentes eespecieen diferentes configuraciones, dando al cuerpo un color único. El color rojo de la carne de salmón es a menudo un delevisual que hace que sea fácil juzgar la frescura y el sabor de la comida. Además, la astaxantina también puede usarse como aditivo en piensos para aves de corrAl.Estudios handemostrado que la adición de 10 mg/kg de astaxantina naturala la alimentación puede deposiefectivamente en la carne de los patos, dando a los picos y laspatas de los patos vivos un color dorado saludable. También puede mejorar la estabilidad oxidativa de los lípidos musculares y hacerlos más nutritivos [12].

Astaxantina también juega un papel protector en las plantas ambientales. Por ejemplo, los aerosoles de astaxantina pueden aumentar la fotosíntesesde las hojas de uva, mejorar su resistencia al estrés, y cambiar su colO.Como resultado, astaxantina se utiliza actualmente en un número creciente de aplicaciones en los campos de la medicina, cosméticos, alimentos, aditivos para piensos, productos de salud, agricultura, etc. (figura 2) [13-14]. El mercado mundial de carotenoides estaba valorado en 1.500 millones de dólares en 2017 y se espera que alcance los 2.000 millones de dólares en 2022 [15]. El valor de mercado mundial de la astaxantina, el segundo carotenmás grande, se espera que crezca a casi 3,4 mil millones de dólares estadounidenses en 2027 [16].

En la actualidad, los principales métodos de producción de astaxantina incluyen la extracción natural, la síntesis química y la fermentación microbiana. La extracción Naturalimplica la extracción de astaxantina de langosta, cangrejo y otros desechos de crustáceos, pero el rendimiento es extremadamente bajo, el proceso es complejo y costoso, y el proceso de extracción es susceptible a la contaminación, por lo que es económicamente inviable[17-18]. El método de síntesis química tiene un largo ciclo de producción y un proceso complejo [19]. El producto de la síntesis es una mezcla de astaxantina en varias configuraciones y la acumulación de diversos subproductos [20]. La tasa de absorción y utilización en los organismos vivos es inferior a la de astaxantina extranaturalmente, por lo que no está aprobado para uso humano [19].

Con el desarrollo continuo de la tecnología de la biología sintética, el uso de la fermentación microbiana para producir productos naturales ha mostrado un granpotencial [21-23]. La astaxantina producida mediante microorganismos tiene las ventajas de una configuración clara, ser respetuosa con el medio ambiente y tener pocos subproductos [16]. Por lo tanto, este es un método muy prometedor de la producción de astaxantina [18,24].

Los microorganismos utilizados actualmente para la síntesis fermentativa de astaxantina incluyen algas, bacterias, levadura, etc. [25]. Este artículo discute los últimos avances en la producción de astaxantina por Haematococcuspluvialis, Escherichiacoli, Xanthophyllomycesdendrorhous, Yarrowialipolyticay otros microorganismos, y resume las estrategias para el screening y la ingeniería metabólica de las cepas productoras de astaxantina para aumentar la producción de astaxantina y reducir los costos. Yarrowialipolyticay otros microorganismos para producir astaxantina, se discuten los últimos desarrollos y se resumen estrategias para la selección e ingeniería metabólica de cepas productoras de astaxantina para aumentar la producción de astaxantina y reducir costos.

1 la vía de biosíntesis de astaxantina

La biosíntesis de astaxantina generalmente se puede dividir en tres etapas [10]:

La primera etapa es el metabolismo central del carbono, en el que los organismos utilizan glucosa y otras fuentes de carbono para generar piruvato y acil-coa a través de la vía Embden-Meyerhof-Parnas (EMP). Estos se utilizan como precursores para la síntesis de sustancias terpenos son transportados a la vía del mevalonato (MVA) y el metileritritol fosfato (MEP) vía como precursores para la síntesis de terpenos.

MVuny MEPson la segunda fase delVía de síntesis de astaxantinaLa vía MVunno solo proporciona los precursores necesarios para la síntesis de terpenos, sino también los precursores de sustancias esenciales para el crecimiento celular. Comienza unpartir de la acetil coenzima A,isopentenil pirofosfato (IPP) se produce en una reacción enzimde seis pasos, y isopentenil difosfato isomerasa (IDI) isomeriipp A dimetilalilpirofosfato (DMAPP), y finalmente utiliza IPPy DMAPP como precursores para sintetizar los precursores de terpenoides. La vía MEP es otra ruta de suministro para sintetizar los precursores de los terpenoides naturales, y se encuentra ampliamente en bacterias, hongos, plantas y algas. Esta vía comienza con piruvato, y el DMAPP se produce en siete reacciones enzimáticas. DMAPP es entonces isomerien en IPP por IDYo,y finalmente IPP y DMAPP son usados como precursores para sintetizar precursores terpenoides.

La tercera etapa es la etapa de síntesis de astaxantina, en la que IPP y DMAPP se convierten en pirofosfato de geranilgeranilo (GPP) por la acción de la enzima farnesil difosfato sintasa (ispA). El GP P sigue siendo producido por el ispA.El pirofosfato de farnesil (FPP) es producido por la farnesil pirofosfato sintasa (CrtE), y el difosfato de gerangeranilo (GGPP) es producido por la geranilgeranilo difosfato sintasa (CrtE).) . La GGPP se convierte en licopenpor la acción de la octahidrolicopeno sintasa/ciclase (fitoeno sintasa, licopenciclase) CrtYBy la octahidrolicopendesaturasa (fitoene desaturasa) CrtI. El licopense convierte en − -caroteno por la acción de CrtYB.

La diferencia estructural entre − - la diferencia estructural entre − -caroteny astaxantina se encuentra en los grupos hidroxilo y carbonilo en los anillos en los extremos de las cadenas de carbono. Por lo tanto, el proceso de convertir − -caroteno en astaxantina es un proceso de adición de grupos hidroxilo y carbonilo a los extremos del anillo de moléculas de − -caroteno. Senembargo, las vías sintéticas en diferentes organismos pueden diferir. Por ejemplo, en Pantoea, astaxantina se sintetiza principalmente a través de − -carotenoidecetoasa (CrtW) y − -caroteno hidroxilasa (CrtZ); En el Haematococcus pluvialis, astaxantina es sintetizprincipalmente por la -carotenoide cetolasa (BKT) yla -caroteno hidroxilasa (CrtR); En la facción de la levadura roja, la astaxantina es sintetizprincipalmente por Cr tRy CrtS.En algunas otras levaduras, la astaxantina también es sintetizmediante la expresión de -caroteno cetolasa y -caroteno hidroxilasa. Tagetes ereces actualmente la única planta que puede producir astaxantina, que se sintemediante la expresión del caroteno4-hidroxi -β

2 síntesis de células de chasis de astaxantina

En la actualidad, la regulación del proceso de fermentación y la ingeniería metabólica para modificar la cepa siguen siendo estrategias de uso común para mejorar la síntesis microbiana de astaxantina. Por ejemplo: ■ mejora de la producción de astaxantina microbiana mediante la optimización de las condiciones de fermentación; ■ aumentar el suministro de sustancias precursoras mediante el refuerzo de las vías metabólicas de MVA y MEP; ■ análisis de la expresión de genesclave de diferentes fuentes;

■ ingeniería modular para conectar genesde expresión y aumentar su número de copias;

Localizar diferentes orgánulos subcelulares, etc.

2.1 algas

Muchas algas en la naturaleza pueden producir astaxantina, tales como Haematococcus pluvialis, Chlamydomonas, Acetabularia, Euglena, etc. [26]. Haematococcus pluvialises un alga verde unicelular de agua dulce que puede alcanzar el 5% de astaxantina contenido en el peso seco de la célula. Es la principal alga para la producción de astaxantina, y la astaxantproducida por Haematococcus pluvialises el levo más rico en antioxidantes (3S,3'S) configuración [27]. Senembargo, Haematococcus pluvialis tiene un ciclo de crecimiento largo, altos requisitos de cultivo, necesita luz, y astaxantina se encuentra en esporas de paredes gruesas, que tienen una baja tasa de extracción, alto costo, y mala continuidad [19,28].

El alto costo de la producción de astaxantina de Haematococcus pluvialis limita su aplicación a gran escala. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de desarrollar nuevos procesos para lograr una aplicación comercial mediante la reducción de los costos de producción y el aumento del contenido de astaxantina en Haematococcus pluvialis. El crecimiento de Haematococcus pluvialis requiere luz, pero debido a la desigual distribución de la intensidad de la luz y la mezcla dentro del fotobiorreactor, las algas se verán afectadas por el ciclo de luz y oscuridad, lo que afectará a la biomasa y la producción de metabolisecundarios. Ranjbar etAl.[29]diseñun fotobiorreactor de elevación de aire, que, en comparación con un biorreactor tradicional, tiene un patrón de flujo más regular para la circulación líquida, lo que resulta en un ciclo de luz y oscuridad más estable, mezcla de líquido más uniforme, aumento de la producción de metabolisecundarios, y un aumento significativo en la producción de astaxantina en Haematococcus pluvialis.

Además de las estrategias anteriores, la adición de algunas sustancias exógenas es también una manera factible de aumentar la producción de astaxantina. Wang etAl.[30]encontraron que la adición de rac-GR24 (un análogo sintético de la hormona vegetal) puede aumentar efectivamente la biomasa producida por Haematococcus pluvialis y la acumulación de astaxantina. Rac-GR24 puede aumentar la fotosíntesis en las plantas y aumentar la tasa de utilización de CO2 en la síntesis de carbohidratos, lo que aumenta la acumulación de biomasa. También promueve la sobreproducción de NADPHy peroxid, reduciendo así el daño causado por especies reactivas del oxígeno. Además, el tratamiento rac-GR24 de Haematococcus pluvialis también altera la actividad de la biosíntesis de ácidos grasos y la vía de esterificación de astaxantina, aumentando así la acumulación de astaxantina.

Extraer astaxantina de las algas es el mayor desafío porque las paredes celulares duras y gruesas de las algas aumentan la resistencia mecánica y química de las células. Los métodos tradicionales de extracción no son adecuados para extraer astaxantina de algas. Por lo tanto, Huang Wencan etAl.[31]propuun nuevo método para extraer astaxantina de Haematococcus pluvialis usando un disolvente hidrófilo conmutable. Dimetilamino ciclohexano (DMCHA) es un disolvente hidrofílico conmutable con baja volatiy solubilidad. Usándola, sennecesidad de destilación, la tasa de extracción de astaxantina de Haematococcus pluvialis puede alcanzar el 87,2% simplemente añadiendo agua y CO2 al mismo tiempo.

Haematococcus pluvialis es rico en astaxantina natural, ácidos grasos insaturados, etc., y tiene un alto valor de investigación y utilización [32]. Al mismo tiempo, la demanda de astaxantina natural en los mercados nacionales y extranjeros está aumentando, y su potencial de desarrollo es enorme. Senembargo, todavía hay varios problemas que necesitan ser explorados y resueltos: Debido a la compleja estructura de la pared celular de Haematococcus pluvialis, el rendimiento de extracción es bajo, y aún es necesario desarrollar nuevos procesos de extracción en el futuro para reducir los costes de producción.

2.2 levadura

Las principales levaduras en la naturaleza que producen astaxantina son Rhodotorula rubra, Rhodotorula glutinis, R.benthica y otros. Con el desarrollo de la biología sintética, la levadura construida con ingeniería genética también puede producir astaxantina, como Yarrowialipolytica, Saccharomycescerevisiae, y Kluyveromycesmarxianus. En comparación con las algas y otros microorganismos, la levadura tiene una amplia gama de fuentes de sustrato para la producción de astaxantina, un crecimiento rápido, un ciclo de fermentación corto, y relativamente maduro herramientas de modificación genética. Por lo tanto, levadura es actualmente una de las células de chasis más prometepara la producción industrial de astaxantina.

2.2.1 levadura Fife roja

La levadura roja se considera, junto con Haematococcus pluvialis, el microorganismo más adecuado en la naturaleza para la producción industrial de astaxantina [33-34]. Puede fermentar y sintetizar astaxantina utilizando una variedad de azúcares como fuentes de carbono [35], y sus células crecen rápidamente, con un ciclo de crecimiento corto, lo que permite el cultivo de alta densidad y la reducción significativa de los costos de producción [34,36]. La astaxantina producida al mismo tiempo está en el (3R,3'R) configuración y es fácilmente absorbido por el cuerpo humano. Por lo tanto, Rhodotorula se convirtió en una de las células de chasis ideales para la síntesis de astaxantina. La tabla 1 muestra los últimos avances en la producción de astaxantina por Rhodotorula.

La optimización de las condiciones de fermentación es la forma más fácil y más directa de aumentar la producción de astaxantina. Entre estas condiciones, el pHtiene un efecto sobre el crecimiento de las células de levadura de la facción roja y la acumulación de astaxantina. Algunos estudios han demostrado que el pHinicial óptimo para el crecimiento de células de levadura de la facción roja es 6.0, el pH óptimo para la formación de astaxantina es 4.0, y el pH óptimo para la acumulación de astaxantina es 5.0 [37]. Por lo tanto, mediante el uso de la estrategia de ph-mod, la producción de astaxantina de Rhodotorula glutinis se incrementó en un 24,1% en comparación con la fermentación a un ph constante. La vía de síntesis de astaxantina es compleja y requiere la participación de una variedad de sustry precursores. Por lo tanto, la adición de ciertas sustancias durante el proceso de fermentación también puede promover la biosíntesis de astaxantina.

Por ejemplo, Yang Haoyi etAl.[42]utilizaron la levadura roja como la célula del chasis y encontraron que la regulación negativa de la purina, pirimidina, síntesis de aminoácidos y las vías de glucólisis contribuyeron a elloBiosíntesis de astaxantinaYla regulación positiva de la vía del metabolismo de los lípidos ayudó a la astaxantina acumulación. La adición de protoporfirina sódica puede inhibir la vía metabólica de los aminoácidos y aumentar la producción de astaxantina en un 19,2%; La adición de melatonina puede promover el metabolismo lipídico y aumentar la producción de astaxantina en un 30,3%.

A través del análisis de flujo metabólico, Ru Yi etAl.[41]encontraron que el etanol puede aumentar el contenido de piruvato y acetil coenzima A en el metabolismo de las levde rodaffia, lo que aumenta el flujo A la vía de síntesis de astaxantina en 2,3 veces, promoviendo así la síntesis de astaxantina. Al mismo tiempo, los nodos metabólicos del ácido -cetoglutárico y el pirofosfato de 5-fosforibosil en la vía de síntesis de astaxantina fueron regulados. Se encontró que la adición de 0,5 g/L− -cetoglutárico al medio de cultivo podría aumentar el crecimiento de las células de levadura de Fife rojo en 0,4 g/L.La adición de ácido glutámico 3 g/L al medio aumentó la producción de astaxantina a 67,9 mg/L,que es 1,7 veces el flujo del grupo control.

Es bien sabido que la levadura tiene fuertes capacidades metabólicas y no sólo puede utilizar pequeñas moléculas como monosacáridos, disacáridos, polisacáridos y ácidos orgánicos, sino también fuentes de nitrógeno simples y mezclas orgánicas complejas. El uso de sustrde bajo costo de los desechos industriales puede reducir eficazmente el costo de la producción de astaxantina, como el bagazo y el bagazo de sorgo dulce (SSB). Zhuang Yuan etAl.[38]realizaron estudios sobre la cepa de levadura Fife roja a temperatura ambiente y mutagénesis UV. La cepa mutante obtenida después de la crianza fue fermenta 22 °Cy 220 r/mendurante 96 h en un hidrolizado de bagde caña de azúcar, y la concentración de carotenoides alcanzó 88,57 mg/L. Después de una mayor interrupción de la pared celular usando ultrasonido y celulasa, el rendimiento de astaxantina alcanzó el 96,01%. Stoklosa etAl.[39]usaron bagazo de sorgo dulce como fuente de carbono para cultivar levadura Rhodaff para producir astaxantina. Senembargo, debido a que los compuestos fenólicos en SSBinhirhodaff levadura, por lo tanto, la inhibición de arroz de levadura roja por SSB se alivimediante el tratamiento de SSB con carbón activo y laccase, y el peso seco celular de la bacteria fue finalmente aumentó de 15,6 g/L a 23,6 g/L,y la producción de astaxantina se incrementó de 9,55 mg/L a 48,9 mg/L.

En biología sintética, el medio más común de aumentar el contenido de productos objetivo es todavía a través de la mutación y la ingeniería metabólica. Gassel etAl.[40]obtuvieron una cepa deLevadura roja con alto contenido de astaxantinaMediante mutagénesisaleatoria. Sobre esta base, el flujo de síntesis de astaxantina se incrementó aún más al expresar el gen de licopeno ciclascrtyb y el gen de síntesis de astaxantina ASY. Finalmente, a través de un experimento de amplificación en el tanque de fermentación, el contenido máximo de astaxantina alcanzó 9,7 mg/g DCW. Otro estudio ha demostrado que la vía de síntesis de ergosterol puede retroalimentación para inhibir la vía MVA. Por lo tanto, la eliminación de genes implicados en la síntesis de ergosterol es una estrategia eficaz para mejorar la producción de terpenos. Yomamoto etAl.[43]eliminsecuencialmente los dos genes CYP61 que codifican C-22 sterol desaturasa que participan en la biosíntesis ergosterol, y luego verificado por fermentación que la astaxantina producción de Rhodotorula glutinis levadura roja recombinante se incrementó en 1,4 veces.

Aunque la levadura roja es una de las células del chasis que producen astaxantina de forma natural, el rendimiento de la levadura roja silvestre es baja y es propensa a la degradación, por lo que todavía hay algunos desafíos para lograr la producción industrial a gran escala. Por lo tanto, la selección de astaxantina de alto rendimiento cepas se ha convertido en el objetivo principal de la investigación actuAl.En el futuro, el rendimiento de astaxantina se puede aumentar aún más por mutagénesis para seleccionar cepas de alto rendimiento, ingeniería metabólica, combinado con la optimización de la fórmula medio de cultivo y las condiciones de fermentación.

Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiaees el primer microorganismo eucariota en someterse a la secuencidel genoma completo. Es fácil de manipular genéticamente, tiene un mecanismo claro de regulación de la expresión génica, y madura tecnología de fermentación de alta densidad. En particular, en los últimos años, el desarrollo de una serie de herramientas adecuadas para el montaje de vías en Saccharomyces cerevisiae ha hecho de ella una célula de chasis ideal para la investigación en biología sintética [44]. Senembargo, como muchas levaduras artificiales, la Saccharomyces cerevisiae no puede sintetizar astaxantina. Es necesario ser modificado genéticamente mediante la introducción de genes clave para la síntesis de astaxantina para lograr la síntesis de astaxantina. Yla astaxantina sintetizes sobre todo en el (3S,3'S) configuración. La tabla 2 muestra los últimos avances en la producción de astaxantina por Saccharomyces cerevisiae.

El crtZy crtWde diferentes especies tienen un efecto significativo en la síntesis de astaxantina por Saccharomyces cerevisiae, por lo que la compatibilidad de los genes exógenos de síntesis de astaxantina con las células del chasis es particularmente importante. Wang Ruizhao etAl.[45]expresaron diferentes especies de crtZy crtWen Saccharomyces cerevisiae en combinación, y seleccioncrtw de Brevundimonas vesicularis y crtZde Alcaligenes de 30 combinaciones y crtZ de Alcaligenes, y la cepa resultante de ingeniería SyBE-Sc118076 produjo hasta 81,0 mg/L de astaxantina. La detección de mutantes de genes clave también es una manera eficaz de aumentar la producción de astaxantina.

Por ejemplo, la construcción de una enzima de fusión puede reducir eficazmente la acumulación de metaboliintermedios. Basado en la fusión de crtW y crtZ usando un linker, nueve mutantes de fusión con una mayor producción de astaxantina se obtuvieron a través de la evolución dirigida. La combinación de estos mutantes dominantes resultó en la cepa de levadura de astaxantina de alto rendimiento L95S+1206L,que tiene 3,8 veces el contenido de astaxantina de la cepa de control [49-50].

Con el fende mejorar la eficiencia de la conversión de − -caroteno a astaxantina, Zhou Pingping etAl.[46]obtuvieron mutantes de levadura superiores de crtZ y crtW a través de coevolución dirigida, y al mismo tiempo introdujo un gal4m9 basado en un sistema regulador sensible a la temperatura [51], desacoplastaxantina síntesis de acoplde crecimiento celular, es decir, la temperatura se mantuvo en 30 β Cen la primera fase para permitir un rápido crecimiento celular; Cuando las células entraron en la fase log, la temperatura de cultivo se cambió a 24 °C para promover la síntesis de astaxantina; Finalmente, 235 mg/L de astaxantina se sintetiza través de dos fases de fermentación de alta densidad.

Dado que la astaxantina es soluble en grasa, esto entra en conflicto con la limitada capacidad de almacenamiento de lípidos de microorganismos modelo como Saccharomyces cerevisiae [52]. Por lo tanto, el contenido de astaxantina se puede aumentar mediante la promoción de la síntesis de lípidos para ampliar las gotitas de lípidos y proporcionar más espacio de almacenamiento para la síntesis de astaxantina. Por lo tanto, Li Ming etAl.utilizaron un sistema CRISPRde tres funciones para detectar una biblioteca de genes relacionados con el metabolismo de los lípidos [47,53], y moderadamente regulados los niveles de expresión de opi3 y hrd1 para promover la síntesis de lípidos. Después de equilibrar la expresión de crtZ y crtW,el contenido de astaxantina se incrementó a 10,21 mg/g DCW. Por último, mediante la combinación de la regulación espacial de la síntesis de lípidos y la regulación temporal de la respuesta de la temperatura, 446,4 mg/L de astaxantina se sintetizen en la fermentación por lotes alimentados.

2.2.3 levaduras lipolíticas

La levadura lipolítica es una de las levaduras no convencionales más estudiadas y utilizadas. Astaxantina producida por la levadura lipolítica es sobre todo en el (3S, 3'S) configuración. Comparado con la levadura convencional Saccharomyces cerevisiae, la levadura lipolítica tiene una variedad de características bioquímicas y metabólicas únicas. Se trata de una típica levadura tipo II que es una bacteria aeróbica que básicamente no produce etanol, que es tóxico para las células [54]. También posee una eficiente ruta metabólica acetil coenzima A y un alto flujo del ciclo del ácido tricarboxílico en sus células, y la acumulación de lípidos puede alcanzar el 77%. Esto lo hace ideal para la producción industrial de ácidos orgánicos, lípidos y sus derivados [55-57]. Además, la Y. lipolyticapuede crecer a pH más bajo y presión osmótica más alta, y puede utilizar una variedad de fuentes de carbono, proteínas y sustrhidrófobos, tales como azúcares, hidrocarburos, alcoholes, lípidos, etc. Por lo tanto, no es estricto en términos de ambiente de crecimiento y puede crecer bajo diversas condiciones ambientales, lo que tiene buenas perspectivas de aplicación industrial [58]. El cuadro 3 muestra los últimos avances en la producción de astaxantina por Y. lipolytica.

Los genes biosintéticos de astaxantina de diferentes fuentes siguen siendo los factores clave que afectan la producción de astaxantina en Y. lipolytica. Kildegaard etAl.[59]expresaron el crtW de Paracoccussp. N81106 y el crtZ de P.ananatis en una cepa de Y. lipolyticaproductora de carotende alto rendimiento, y optimiel número de copias de los genes relevantes se optimilas copias, y 3,5 mg/g DCW (54,6 mg/L) astaxantina se obtuvo. En otro estudio, se expresaron tres pares de crtW y crtZ de diferentes fuentes, y se señaló que HpCrtWy HpCrtZde Haematococcus pluvialis tenían la mayor actividad en la conversión de -carotena astaxantina [65]. A través del ensambmodular de los genes relevantes por el péptido corto RIAD-RIDD[62], y al mismo tiempo aumentando el número de copias a 20, la producción de astaxantina de levadura lipasa recombinalcanzó 3.3 g/L bajo condiciones de cultivo por lotes con un suplemento, que es el nivel más alto de síntesis de astaxantina en un chasis microbihasta la fecha.

La mayoría de los métodos de regulación metabólica para producir productos químicos de alto valor añadido en microorganismos utilizan el citoPlasma plasmacomo un recipiente de reacción [66]. Senembargo, el aislamiento de enzimas y sustry el crosstalk metabólico a menudo dificultan la síntesis efectiva de los compuestos objetivo en el citoplasma. La regionalización de orgánulos en células eucariotas proporciona una solución a este cuello de botella. Por ejemplo, Ma Yongshuo etAl.[60]no sólo aceleraron la conversión de -caroteno a astaxantina, sino que también redujeron significativamente la acumulación de intermediarios carotenoides al localizar la vía de síntesis de astaxantina en el retículo endoplásmico y los peroxisomas, aumentando así la producción de astaxantina 141 veces. En la fermentación por lotes, 858 mg/L de astaxantina puede ser sintetiz.

Astaxantina es un terpensoluble en grasa compuesto, y su fuerte hidrofobicidad conduce a una baja biodisponibilidad. La adición de una fase de aceite externa puede promover la disolución de astaxantina y prevenir la formación de cristales, lo que aumenta el rendimiento de astaxantina. Yuzbasheva etAl.[61]utilizaron un enfoque de ingeniería modular y tecnología de fusión, construyeron una cepa de Saccharomyces cerevisiae con deficiencia de lisina recombincon una producción de astaxantina de 587,3 mg/L,y la producción de astaxantina se pudo aumentar a 973,4 mg/L con la adición de una capa de aceite.

Glicosilación también puede aumentar significativamente la solubilidad en agua de astaxantina, mejorando así su biodisponibilidad, la estabilidad de la luz yla actividad biológica [67-68]. Chen Jing etAl.[63]construyeron una cepa productora de astaxantina derivada de una planta al expresar los genes de la 4-hidroxi-ciclodeshidrogenasa (HBFD) y la carotenoide - ciclodeshidrogenasa (CBFD) del Summer Marigold en Pichia pastoris, y el rendimiento de astaxantina alcanzó 3,46 mg/L. Sobre esta base, mediante la expresión de la zeaxantina glicosiltransferasa (CrtX) gen de Pantoea ananatis (P. ananatis ATCC 19321), una vía de síntesis de astaxantina glicosilada se construyó con éxito, y el rendimiento alcanzó 1,47 mg/L,que es el mayor rendimiento de astaxantina glicosilada producido por los microorganismos reportados hasta el momento.

Kluyveromycesmarxianus

En los últimos años, Kluyveromyces marxianusha sido ampliamente utilizado en la síntesis de productos naturales. En comparación con otras levaduras tradicionales, tiene las siguientes ventajas: la levadura Maxicruve puede aumentar la producción celular al proporcionar un exceso de fuentes de carbono [69]; Algunas levaduras Maxicruve son resistentes a las altas temperaturas y pueden fermentar a temperaturas entre 25 y 52 °C [70]; Tiene una adecuada glicosilación y péptidos señal fuertes, y tiene una mayor capacidad de secreción que Saccharomyces cerevisiae [71].

En la actualidad, basándose en métodos de ingeniería metabólica, la levadura Maxicruve se ha utilizado como una célula de chasis para sintetizar astaxantina, y la astaxantina sintetizes sobre todo en el (3S, 3'S) configuración. Por ejemplo, LenYuju etAl.[72]construyeron una vía de síntesis heteróloga de astaxantina en levadura Maxicruve para lograr la síntesis de astaxantina usando glucosa. Integraron los genes Hpchyb y BKT de Haematococcus pluvialis en el genoma de Saccharomyces cerevisiae y aumentaron su número de copias para obtener cuatro cepas modificadas. Para mejorar aún más el rendimiento, se introdujeron mutaciones dirigidas al sitio en el gen Hpchyb para mejorar la eficiencia enzimy prevenir la degradación indupor ubiquitina de proteínas heterólogas.

Esto finalmente resultó en la síntesis de 9972 μg/g DCW astaxantina en un fermentde 5 L. En otro estudio, el uso de un promotor inducible por xily un sistema de regulación de temperatura permitió el desacopldel crecimiento celular y la síntesis del producto. Una mayor optimización de la vía metabólica y las condiciones de fermentación resultó en la producción de astaxantina de 56,8 mg/L [73]. Aunque hay pocos informes sobre el uso de la levadura Maxicruvencomo una célula de chasis para la producción de astaxantina, sus ventajas únicas proporcionan una nueva opción técnica para la fermentación microbiana y la síntesis de astaxantina.

2.2.5 otras levaduras

Además de las levaduras artificiales típicas mencionadas anteriormente, también hay relativamente pocos informes sobre la producción de astaxantina por levaduras como Rhodotorula mucilaginosa y la levadura roja marina. Rhodotorula mucilaginosa es una levadura roja que contiene aceite y se utiliza principalmente para producir − -caroteno. Un equipo obtuvo una cepa de Rhodotorula mucilaginosa RG-31 productora de astaxantina A través de pruebas de mutagenesis, y finalmente optimilas condiciones de fermentación para lograr un contenido de astaxantina de 7,41 μg/mL. La levadura roja marina es un tipo de levadura unicelular que existe naturalmente en el océano. Tiene una buena tolerancia a la sal y produce carotenoides, principalmente astaxantina. Una cepa de levadura roja marina profunda S8 con alta producción de carotenoides se obtuvo por mutagénesis ultravioleta para obtener la cepa ST5, y mediante la optimización de las condiciones de fermentación, el contenido de astaxantina puede alcanzar 520 μg/g.

2.3 bacterias

Debido a la baja producción de astaxantina por las bacterias, la investigación sobre astaxantina se ha centrado principalmente en algas y hongos en el país y en el extranjero, y relativamente poca investigación se ha hecho en la síntesis de astaxantina por las bacterias. Aunque el contenido de astaxantina de la mayoría de las bacterias es mucho menor que el de algunas algas y hongos, la introducción de genes relacionados con la síntesis de astaxantina en las bacterias [20]puede aumentar en gran medida la producción de astaxantina. Al mismo tiempo, en comparación con los hongos y las algas, el uso de la fermentación bacteriana hace que sea más fácil de extraer astaxantina, lo que puede simplificar en gran medida el proceso de extracción posterior. En particular, las bacterias gramnegativas tienen paredes celulares delgadas y fácilmente rotas, lo que facilita la extracción de astaxantina de las células. Por lo tanto, la producción de astaxantina por fermentación bacteriana puede reducir en gran medida el costo de producción de astaxantina y es de gran importancia para la producción industrial futura.

2.3.1 Escherichiacoli

EscherichiaEl coli:es una bacteria gramnegativa, facultanaerobia. Es fácil de cultivar, fácil de operar, barato, y tiene herramientas maduras de modificación genética molecular. Se ha convertido en uno de los mejores huéspedes para la ingeniería metabólica y la biología sintética. Como una cepa no productora de carotenoi, puede sintetizar los precursores compuestos de terpenipp y DMAPP a través de la vía MEP. En E. El coli:de tipo salvaje, la FPP sintasa se puede producir In vivo, que puede condensar IPP y DMAPP para generar GPP y FPP,pero carece de las enzimas que convierten FPP a la astaxantina finAl.Por lo tanto, mediante la introducción de un exógeno astaxantina módulo de síntesis en E. coli, es relativamente fácil de sintetizar astaxantina en E. coli, y la astaxantina sintetizes sobre todo en el levorotatorio (3S, 3'S) configuración. La tabla 4 muestra los últimos avances en la producción de E. El coli:astaxantina.

La identificación de genes clave en la vía de síntesis metabólica de astaxantina ha hecho posible la construcción de bacterias con alta producción de astaxantina. Jeong etAl.[75]usaron la vía MEP de Kocuria gwangallensis para co-expresar DXS, ispC, ispD,ispE,ispF, ispG,ispH e idi y los Genes envolucrados en la conversión de la síntesis de astaxantina (crtYo,crtE,crtYB,crtW, crtZ) fueron co-expresados en E. El coli:para aumentar la producción de astaxantina. Esta ingeniería de E. El coli:que contiene los genes de la vía de no mevalonato fue capaz de sintetizar 1100 μg/g DCW de astaxantina. Los genes lytB,ispA e idi en la vía isoprenoide son esenciales para la síntesis de IPP,DMAPP y FPP. Senembargo, dado que la E. El coli:por sí sola sólo puede sintetizar estos precursores para satisfacer sus propias necesidades de crecimiento y no puede desvíala vía de síntesis de astaxantina, el rendimiento de astaxantina es demasiado bajo. Por lo tanto, Lee etal. [76]sobreexpresaron lytB,ispA e idi en E. coli llevando los genes de síntesis de astaxantina (crtI, crtE, crtYB,crtW, crtZ), y en última instancia diseñaron E. coli para sintetizar 1200 μg/g DCW astaxantina. El cribado para crtW y crtZ de diferentes fuentes sigue siendo uno de los métodos de rutina para mejorar la producción de astaxantina.

Por ejemplo, Lu etal. [78]compararon crtW y crtZ de diferentes fuentes y concluyeron que crtW de Brevundimonas sp. SD212 y crtZ de Pantoea aglomerans fueron la mejor combinación para la producción de astaxantina. Al equilibrar la actividad de expresión de crtW y crtZ,se construyó una cepa de E. coli ASTA-1 que no llevaba ni un plásmido ni un marcador antibiótico. Senla adición de un inductor, la cepa recombinsintetiz96,6% de los carotenoides como astaxantina, alcanzando un contenido de 7,4 mg/g DCW. Wu Yuanqing etal. [79]examinaron 9 crtZ y crtW de diferentes fuentes y los introdujeron en E. coli con una alta producción de caroteno y el contenido de astaxantina alcanzó 0,49 — 8,07 mg/L. Posteriormente, el crtZ y crtW se fusionutilizando un enlazpeptídico optimi, que aumentó aún más la producción de astaxantina en 127,6%.

Li Shun etal. [80]expresaron el gen HpCHYde Haematococcus pluvialis y el gen CrBKT de Chlamydomonas reinhardtii en Escherichiacoli seleccionel promotor GadE. La última cepa de ingeniería fue capaz de sintetizar 24.16 mg/L de astaxantina, que es 40 veces mayor que la cepa original. Esto muestra que la selección de los elementos genéticos adecuados para la síntesis de astaxantina puede afectar significativamente el nivel de expresión de astaxantina.

Aumentar el número de copias de genes clave es una manera simple, directa y eficaz de aumentar la producción de astaxantina. Por ejemplo, en E. coli, el cuello de botella de la insuficiente acumulación de astaxantina se eliminmediante el aumento del número de copias de crtYB,y mediante la regulación de la expresión del promotor, la producción final de astaxantina alcanzó 1,18 g/L bajo condiciones de fermentación por lotes alimentados [20].

Li Di etal. [82]primero realizaron mutaciones aleatorias en crtW para aumentar su actividad en la conversión de − -caroteno a astaxantina y luego aumentaron el número de copias de crtW y crtZ mediante el método Cre-loxP para construir una cepa de E. coli con alta producción de astaxantina. Finalmente, por fermentación en lotes alimentados, la producción de astaxantina alcanzó 0,88 g/L [84]. Zhang Meng etal. [83]encontraron que la coexpresión de crtZ de Paracoccussp. PC1 y crtZ de aglomerantes de Pantoea puede aumentar la acumulación de astaxantina e intermediarios. Finalmente, una cepa de E. coli diseñada una cepa de E. coli con dos copias de PAcrtZ y una copia de PCcrtZ.Después de 70 h de fermentación por lotes alimentados, la producción de astaxantina alcanzó 1,82 g/L.

Además, las estrategias para mejorar la vía metabólica de astaxantina a través de medios técnicos no convencionales también se pueden utilizar para lograr el objetivo de aumentar la producción de astaxantina. Por ejemplo, mediante la co-expresión de los genes asociados ApcpnA y ApcpnB en E. coli que expresa los genes de síntesis de astaxantina (crtI, crtE, crtYB,crtW, crtZ), la bacteria modificada final puede producir 890 μg/g DCW de astaxantina [74]. Lemuth etal. [77]construyeron la primera E. coli libre de plasodo e integraron de manera estable los genes de la vía de biosíntesis de astaxantina en el cromosoma de E. coli a través de la tecnología de recombinación → -rojo, de modo que la vía solo apuntaba a la síntesis de astaxantina. El contenido final de astaxantina alcanzó 1,4 mg/g DCW [85]. La ingeniería de estrés oxidativo y basado en la morfotambién son estrategias eficaces para mejorar la síntesis de astaxantina en E. coli. Por ejemplo, la eliminación de genes relacionados con la morfoy las membranas puede resultar en células más grandes y más largas, que a su vez aumentan la acumulación de astaxantina.

El estrés oxidativo se refiere a un desequilibrio entre la producción de especies reactivas de oxígeno y antioxidantes en las células, lo que conduce al daño celular. Por lo tanto, la eliminación de genes relacionados con el estrés oxidativo puede aumentar el nivel de especies reactivas de oxígeno en las células para proteger a las células [81]. Al mismo tiempo, la morfocelular todavía cambiará después de que la temperatura aumente, y el nivel de especies reactivas de oxígeno también será más alto. Por lo tanto, mediante el establecimiento de un sistema de expresión complementaria de plásmidos sensibles a la temperatura, el contenido de astaxantina de esta cepa de E. coli puede en última instancia ser aumentado a 11,92 mg/g DCW. Además, las estrategias de localización enzimtambién se pueden utilizar para aumentar la producción de astaxantina en E. coli. Por ejemplo, Ye Lijun et al. [86-88] usaron una etiqueta de localización de E. coli para localizar la escisión de la dioxigenasa PhCCD1 a diferentes compartimentos celulares y encontraron que su eficiencia catalítica era óptima en la membrana. Finalmente, después de fusionar CrtW y CrtZ a la membrana celular de E. coli a través de la proteína GlpF, la producción de astaxantina aumentó en 215,4%.

2.3.2 Paracoccus

Paracoccus (Paracoccus sp.) es una bacteria gramnegativa que contiene astaxantina y otros carotenoides raros en sus células. Senembargo, hay pocos trabajos de investigación sobre la síntesis de astaxantina en Paracoccus [89-90]. Los carotenoides naturales suelen existir en la configuración E, que es menos biodisponible para los seres humanos y los animales. La "z-isomerización" es un medio eficaz de aumentar su biodisponibilidad [91-93]. Por ejemplo, Honda et al. [94]usaron el coccolitóforo como la celda del chasis para isomeride carotenoides como la astaxantina bajo condiciones de agua subcrítica (calentar el agua por encima del punto de ebulli, por debajo del punto crítico, y controlar la presión del sistema para mantener el agua en estado líquido). Se encontró que la adición de etanol bajo condiciones de calentamiento y presurización mejoró significativamente la eficiencia de la "z-isomerización". En condiciones presurizadas, la eficiencia de la "z-isomerización" fue significativamente mejorada. Finalmente, después de 30 minutos de tratamiento con agua subcrítica, mientras inhibia la degradación de carotenoides, se obtuvo astaxantina con una relación de "z-isomeri" de más del 50%.

La regulación adecuada de la composición del medio de cultivo y los parámetros durante la fermentación es una estrategia eficaz para aumentar la producción de astaxantina. La adición de intermediarios de ácido tricarboxílico al medio de cultivo puede aumentar el suministro de precursores. La actividad de las enzimas clave también se puede mejorar mediante la adición de cofactores para las enzimas clave en la síntesis de astaxantina (sulfato ferro, ácido ascórbico, NADPH,ATP y 2-oxoglutarato), aumentando así la acumulación de astaxantina. Por ejemplo, cuando se produce astaxantina en un chasis de Bacillus subtilis, la actividad de la enzima Crt se puede aumentar añadiendo 5 mmol/L de malato y 1 mmol/L de sulfato ferro, aumentando la producción de astaxantina de 177 μg/L a 3750μg/L [95]. Aunque la producción de astaxantina por las propias bacterias es menor que la de las algas y la levadura, proporciona elementos genéticos alternativos para la posterior construcción y modificación de cepas de ingeniería genética.

2.3.3 otras bacterias

Hay relativamente pocas bacterias que pueden producir astaxantina, y los rendimientos son relativamente bajos. El más estudiado es Escherichiacoli como célula de chasis. Además, Mycobacterium lacticola y Bevibacterium también pueden producir astaxantina. Senembargo, Mycobacterium lacticola solo produce astaxantina en medios hidrocarbury no produce astaxantina en medios nutritivos. Bevibacterium crece en aceite, y al final de la fermentación, la biomasa es de sólo 3 g/L,y el contenido de astaxantina es aún menor.

En resumen, E. coli es actualmente la célula de chasis ideal para la producción de astaxantina entre las bacterias.

3 proceso de extracción de astaxantina

Astaxantina es un producto intracelular, por lo que la extracción de astaxantina de los microorganismos se divide en dos pasos: ruptura celular y astaxantina colección. En comparación con las bacterias, las paredes celulares de las algas y levaduras son duras y gruesas, y no se rompen fácilmente, lo que hace que la extracción del producto sea muy difícil. Por lo tanto, el enfoque de la extracción de astaxantina está en la alteración de la pared celular [96].

Los métodos tradicionales de interrupción de la pared celular incluyen principalmente métodos físicos, químicos y enzim[97]. Los métodos físicos incluyen trituración mecánica, triturultrasy extracción de fluido supercrítico. La trituración mecánica es fácil de operar, y las paredes celulares se romppor la agitación mecánica, liberando así la astaxantina en el interior de las células. Senembargo, la trituración mecánica puede causar altas temperaturas en algunos lugares, que pueden dañar la astaxantina hasta cierto punto. Aunque el aplastultraspuede romper eficazmente las paredes celulares en el soluto, como la intensidad y la duración de la acción ultrasónica aumento, la producción de radicales libres altamente oxidantes aumenta, lo que conduce a una disminución en la tasa de extracción de astaxantina. La extracción con fluido supercrítico es el método de extracción más efectivo para la extracción de varios tipos de productos de algas en los últimos años. En comparación con los disolventes líquidos tradicionales, tiene algunas propiedades físicas y químicas únicas, tales como alta difusividad, alta compresibilidad, baja tensión superficial, baja viscoy fácil penetración de las paredes celulares, lo que mejora la eficiencia de extracción del producto.

Los métodos químicos incluyen principalmente la extracción con disolvente orgánico, el tratamiento ácibase y los métodos de dimetilsulfóxido (DMSO). La astaxantina es un producto natural soluble en grasa, por lo que la elección del disolvente orgánico debe tener en cuenta si la astaxantina es soluble y la polaridad del disolvente. Por ejemplo, Xing Tao et al. [99]usaron acetato de etilo como solvente orgánico para extraer astaxantina de Haematococcus pluvialis, y el rendimiento final fue de 98,51%. Aunque el uso de disolventes orgánicos para extraer astaxantina tiene un alto rendimiento, la desventaja es que muchos disolventes son tóxicos y pueden tener un efecto perjudicial sobre la astaxantina. El tratamiento ácibase implica el uso de grandes cantidades de ácido y álcali reactivos, que no sólo pueden dañar astaxantina, sino también causar la correspondiente contaminación ambiental. El dimetilsulfóxido es un disolvente polar soluble tanto en agua como en disolventes orgánicos. Es un disolvente de uso común para romper las paredes celulares en el laboratorio, ya que puede romper rápida y eficazmente las paredes celulares de las bacterias senafectar significativamente astaxantina [100]. Cuando se mezcla con acetona en las proporciones correctas, también puede extraer astaxantina relativamente completamente [101].

La extracción enzimde astaxantina tiene las ventajas de condiciones suaves, bajo consumo de energía y corto tiempo de procesamiento. No sólo puede romper las paredes celulares de forma rápida y eficiente y liberar astaxantina de las células, sino que también inhila la actividad celular para prevenir la desnaturalización de sustancias intracelulares [102]. Por lo tanto, la astaxantina extrapor método enzimes más estable que la obtenida por otros métodos. Por ejemplo, la − -glucanasa puede hidrolizar − -glucan en la pared celular, lo que puede evitar que la astaxantina se derrame fuera de las bacterias y reducir las pérdidas [100]. Senembargo, el método enzimrequiere una gran cantidad de enzimas, lo que senduda aumenta los costos de producción. Al mismo tiempo, debido a que las enzimas son proteínas por naturaleza, son propensas a la desnaturalización y por lo tanto no son adecuadas para la extracción a gran escala de astaxantina.

Desde astaxantina es un fuerte antioxidante, si se expone al aire durante mucho tiempo, el oxígeno en el aire reaccioncon astaxantina y hacer que pierda su capacidad antioxidante. Por lo tanto, un proceso de extracción senoxígeno (lleno de nitrógeno) es también uno de los pasos que actualmente no está disponible en la producción industrial. Este método consiste en llenar con un gas inerte o nitrógeno para proporcionar un ambiente libre de oxígeno para la extracción con disolvente orgánico, que protege su actividad y mejora significativamente la actividad antioxidante de astaxantina.

4 resumen y perspectivas

Debido a la amplia aplicación de astaxantina en los campos de la alimentación, la medicina y los cosméticos, la demanda del mercado de astaxantina se espera que aumente. En la actualidad, la síntesis química sigue siendo el principal método de producción de astaxantina, pero debido a las limitaciones de astaxantina sintetizquímicamente, los países de todo el mundo son cada vez más estrictos en su gestión de la síntesis química de astaxantina. Senembargo, astaxantina extraído directamente de los recursos naturales apenas puede satisfacer la demanda de los consumidores.

Por lo tanto, la producción industrial de astaxantina a través de la fermentación microbiana ofrece una opción prometedora. La levadura es la célula de chasis más prometedebido a sus ventajas como un amplio espectro de sustr, fácil crecimiento y cultivo, ciclo de fermentación corto y herramientas de modificación genética relativamente maduras. Entre ellos, Rhodopseudomonas palustris es capaz de producir naturalmente astaxantina, crece rápido, y puede utilizar una variedad de fuentes de carbono; Yarrowialipolytica tiene un flujo acetil coenzima A alto y una ruta metabólica del ciclo del ácido tricarboxílico, y puede crecer A pH más bajo y presión osmótica alta; Saccharomyces cerevisiae es fácil de manipular genéticamente, tiene un mecanismo claro para regular la expresión génica, y la tecnología madura de fermentación de alta densidad; Pichia pastoris puede soportar altas temperaturas, tiene una adecuada glicosilación y péptidos de señal fuertes.

Con el rápido desarrollo de la biología sintética, ingeniería de proteínas, ingeniería metabólica e ingeniería de fermentación, muchos microorganismos se han utilizado como células de chasis para producir astaxantina. Senembargo, a pesar de los avances significativos en la biosíntesis de astaxantina, los desafíos siguen siendo:

En primer lugar, los microorganismos que pueden producir astaxantina de forma natural, como Rhodotorula glutinis y Haematococcus pluvialis, todavía tienen problemas con bajos rendimientos, condiciones estrictas de cultivo y altos costos. Para resolver este problema, la investigación futura debe centrarse en el cultivo y cribado de cepas de alto rendimiento y la optimización de las condiciones de cultivo para aumentar los rendimientos y reducir los costos.

En segundo lugar, debido a la compleja vía anabólica de la síntesis de astaxantina, todavía hay problemas tales como bajos rendimientos en la ingeniería metabólica de organismos modelo tales como Escherichiacoli, Lipomyces starkeyi, Saccharomyces cerevisiae, etc. En este sentido, las siguientes estrategias pueden ser utilizadas para mejorar la eficiencia de la síntesis de astaxantina en las células del chasis (figura 4): (1) optimizar y modificar la ruta metabólica del MVA. Por ejemplo, el tHMGtruncado (truncado por 500 aminoácidos en el N-terminal) ha demostrado ser un gen clave en la vía del MVA. Puede prevenir eficazmente su propia degradación, aumentando así la producción de carotenoides.

(2) La sustitución de promotores de diferentes fuerzas mejora el ajuste catalítico en las rutas metabólicas. Por ejemplo, en el gen para la biosíntesis de -caroteno, un fuerte promotor PTEFreemplaza otros promotores débiles, aumentando significativamente la producción de -carotenen Yarrowia lipolytica [103].

Aumentar el número de copias de genes clave para mejorar el flujo metabólico de los pasos que limitan la velocidad. Por ejemplo, cuando el número de copias de crtYB se incrementó de 1 a 4, la producción de beta-carotenaumentó en un 76% [104].

Ensambmodular de genes clave usando diferentes ligadores o péptidos cortos para mejorar el flujo metabólico de carbono, aumentando así la potencia de astaxantina.

Localizar en diferentes orgánulos subcelulares para aumentar el espacio de almacenamiento de astaxantina. Los carotenoides se almacenan generalmente en la membrana celular, lo que puede reducir la fluidez de la membrana celular y causar la muerte celular. La localización de la ruta metabólica de los carotenoides en orgánulos subcelulares puede reducir los trastornos metabólicos trastorno del metabolismo. Al mismo tiempo, también puede ampliar el espacio de almacenamiento de carotenoides en la célula, reduciendo su toxicidad para la célula. Por ejemplo, el retículo endoplásmico, mitocony peroxisomas en las células eucarióticas tienen entornos físicos únicos que proporcionan condiciones favorables para la síntesis de carotenoides.

Optimización de condiciones de fermentación es la forma más común y más eficaz de aumentar la producción de astaxantina. Por ejemplo, la optimización del medio con diferentes fuentes de carbono y nitrógeno, diferentes relaciones de carbono y nitrógeno, valores de pH y control de temperatura.

También vale la pena señalar que a pesar de que la astaxantina producida a través de la biosíntesis tiene un valor de aplicación mucho mayor que la producida a través de la síntesis química, su aplicación todavía está restringido por las leyes y reglamentos de muchos países. Por ejemplo, la FDA de los Estados Unidos prohíbe el uso de astaxantina como aditivo alimentario porque el calentamiento prolongado de astaxantina puede producir carcinógenos. Francia estipula claramente que la astaxantina sólo puede usarse en productos sanitarios y cosméticos específicos. Por lo tanto, todavía hay un largo camino por recorrer antes de que la astaxantina pueda ser producida a través de la fermentación microbiana.

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