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虾青素生物合成代谢工程研究进展[摘要]虾青素是一种具有极强生物抗氧化性的酮式类胡萝卜素在医药、食品、化妆品等方面有着极广阔的应用前景。目前生物技术法为虾青素的主要生产方法。本文以虾青素生产所涉及的关键酶、代谢途径及其改造为对象系统综述了虾青素生产所涉及的代谢工程技术及其最新研究进展并探讨了将来的发展前景。[关键词]虾青素；代谢工程；进展[中图分类号]TS201[文献标识码]A[文章编号]1673-7210（2008）07（b）-029-02虾青素是一种非维生素A源的酮式类胡萝卜素。近年来的药理学和生理学研究发现虾青素具有极强的生物抗氧化性此外还具有促进抗体产生、增强免疫力以及抗紫外线辐射等作用因而在医药、食品、水产业、化妆品等方面有着广阔的应用前景。目前虾青素的生产方法主要有化学合成法、虾壳类提取、生物技术法。由于化学合成工艺复杂而且虾壳类废弃物中虾青素的含量低因此生产成本均较高。生物技术法研究最广泛的是利用红发夫酵母和雨生红球藻生产虾青素其研究大量集中在高产菌株的选育、廉价培养基的利用、培养条件的优化和产物提取等方面近几年来如何通过代谢工程提高生物合成虾青素逐渐成为研究热点。由于虾青素在生物体内合成的主要化学途径及代谢过程已基本上被详细描述且编码虾青素合成路线中不同酶的基因已经从细菌、植物、藻类和真菌的细胞中克隆出来[1]这为采用代谢工程技术构建工程菌种和优化虾青素合成代谢网络提供了基础。目前国内外已有研究者开始采用代谢工程手段进行虾青素菌种的构建和代谢途径的调控并取得了较大的进展本文对此进行了综述并探讨了其发展前景。1虾青素的代谢途径由于虾青素是一种次生类胡萝卜素因此其在微生物细胞内的合成步骤较多且较复杂。最初对类胡萝卜素合成途径的研究是从细菌和海洋细菌开始的。从已报道的虾青素生物合成途径来看基本上可将其分为两个阶段第一阶段是合成β-胡萝卜素第二阶段是β-胡萝卜素经氧化（酮基化）和羟基化形成虾青素[2]。第一阶段即β-胡萝卜素的合成过程中红发夫酵母与雨生红球藻的主要差别就是β-胡萝卜素合成的关键物质异戊烯焦磷酸(IPP)的合成途径不同。红发夫酵母与其他酵母一样通过甲羟戊酸途径合成异戊烯焦磷酸。而关于雨生红球藻合成异戊烯焦磷酸的途径原来认为也是通过甲羟戊酸途径然而1993年Rohmer等[3]用C-13-NMR标记实验发现在细菌细胞中异戊烯焦磷酸可以由3-磷酸甘油醛和丙酮酸两种前体物质合成后Schwender等[4]和Lichtenthaler[5]又分别发现绿藻和植物细胞也是通过此途径即非甲羟戊酸途径合成异戊烯焦磷酸即以丙酮酸为起始物经过与3-磷酸甘油醛(GAP)反应而合成异戊烯焦磷酸。第二阶段由β-胡萝卜素合成虾青素的过程中合成路线也分为两条：第一条路线是从β-胡萝卜素氧化（酮基化）开始经过海胆酮(Echinenone)、鸡油菌黄质(Canthaxanthin)44'-二酮基-3-羟基-β-胡萝卜素等中间物质合成虾青素。第二条路线是β-胡萝卜素首先羟基化形成β-隐黄质(β-Cryptoxanthin)然后经玉米黄质(Zeaxanthin)和33'-二羟基-4-酮基-β-胡萝卜素等中间物质合成虾青素[6]。这两条可能的路线本质在于β-胡萝卜素是先酮基化还是先羟基化。雨生红球藻合成虾青素的过程中β-胡萝卜素羟基化的中间产物β-隐黄质和玉米黄质能减少或降低其酮基化产物的形成[7]但这与雨生红球藻的虾青素含量较高的事实相矛盾因此我们推断雨生红球藻合成虾青素的合成路线是第一条。而红发夫酵母中目前哪一条是主要路线还没有结论。现在已经从细菌、真菌、植物中克隆到大量类胡萝卜素生物合成基因。一般采用crt加英文大写字母表示类胡萝卜素生物合成基因但最近新发现的基因基本取酶英文名称缩写。2虾青素代谢工程2.1外源虾青素合成基因的导入以不能合成虾青素的大肠杆菌、蓝藻、酵母等可以在人为控制下快速增殖的微生物体为受体表达虾青素的一系列合成酶基因使其实现合成酶的组成型高效表达目前已有人从事这方面的工作[8]。例如产朊假丝酵母(Candidautilis)细胞内积累麦角固醇但不能合成类胡萝卜素但可以引入外源基因同时转化crtEBIYZW并在产朊假丝酵母中表达合成了虾青素[9]。另外也可以采用植物作为受体来表达虾青素合成基因。山东省花生研究所通过与中国科学院海洋所的合作研究克隆得到了控制虾青素生物合成的关键酶基因β-胡萝卜素羟化酶基因(crtZ)AY187011和β-胡萝卜素酮化酶基因(crtW)AY387656建立了crtZ和crtW高效表达的二元载体系统并将其转入花生通过代谢工程使虾