胭脂紅酸(carminic acid)是一種用途廣泛的天然紅色著色劑,在繪畫染料、紡織、食品添加劑、化妝品和制藥等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。近年來,胭脂紅酸的市場需求逐年增加。長期以來,從寄生于仙人掌的雌性胭脂蟲的干燥體中提取是目前胭脂紅酸的主要生產(chǎn)方式。由于胭脂紅酸繁瑣低效的提取過程,存在低得率、成本高和質(zhì)量差異明顯等問題。微生物生產(chǎn)胭脂紅酸可以避免這些缺點,可能是可持續(xù)供應(yīng)的潛在替代生產(chǎn)方式。生物合成天然聚酮化合物已開展過很多研究,例如紅霉素、洛伐他汀、四環(huán)素等聚酮化合物已經(jīng)使用生物法合成并且廣泛利用。

胭脂紅酸是一種芳香族聚酮化合物,胭脂紅酸的合成路徑起始于表達蘆薈(Aloe arborescens)來源的聚酮合酶OKS(octaketide synthase,OKS)催化7分子的丙二酰輔酶(malonyl-CoA)和1分子的乙酰輔酶A(acetyl CoA)生成線性的非還原的聚酮化合物,再通過鏈霉菌(Streptomyces sp.R1128)來源的環(huán)化酶Zhul和芳香酶ZhuJ催化線性的非還原的聚酮化合物環(huán)化生成蒽酮,然后在氧化酶的催化下生成黃胭脂酮酸。一方面,黃胭脂酮酸可通過糖基化生成DeLL,DcLL在釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)來源的5-去甲氧磺雙醌羥化酶(5-demethoxyubiquinone hydroxylase,CAT5)催化反應(yīng)下生成胭脂紅酸,另一方面,黃胭脂酮酸可通過羥基化生成胭脂酮酸,胭脂酮酸通過糖基化生成胭脂紅酸。

目前,胭脂紅酸的生物合成的研究較為廣泛,在不同的微生物宿主中均有嘗試，在構(gòu)巢曲霉和大腸桿菌8中實現(xiàn)了胭脂紅酸的從頭合成,但是這2種底盤菌株生產(chǎn)胭脂紅酸的效率都很低。在釀酒酵母中,基于在構(gòu)巢曲霉中構(gòu)建的胭脂紅酸合成途徑進一步挖掘了關(guān)鍵氧化酶FAD依賴性單加氧酶(FAD-dependent monooxygenase,AptC)和CAT5,構(gòu)建出了一條新的胭脂紅酸合成途徑,在5L發(fā)酵罐水平實現(xiàn)了7 983.8ug/L胭脂紅酸的積累。在釀酒酵母中通過挖掘不同的酶和代謝工程改造的方式大大提高了胭脂紅酸的生產(chǎn)水平,但是并未達到可進行工業(yè)化生產(chǎn)的水平。

合成方法

以解脂亞洛酵母為出發(fā)菌株,通過異源表達和篩選途徑關(guān)鍵基因,在解脂亞洛酵母中實現(xiàn)了朋脂紅酸的從頭合成,其產(chǎn)量為0.7mg/L。胭脂紅酸的合成需要2個關(guān)鍵前體:丙二酰輔酶A和乙酰輔酶A,通過篩選ACCI突變體和引入非天然丙二酰輔酶A合成途徑(non-carboxylative malonyl-CoA formation pathway,NCM途徑)強化丙二酰輔酶A的供給,使胭脂紅酸產(chǎn)量提高到1.2mg/L。又通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝強化乙酰輔酶A的供給,使胭脂紅酸產(chǎn)量進一步提高到1.5mg/L。為了提高底物的利用效率,將胭脂紅酸生物合成途徑導(dǎo)入到過氧化物酶體,使胭脂紅酸產(chǎn)量達到1.9mg/L。最終,在5L發(fā)酵罐中進行分批補料發(fā)酵,胭脂紅酸產(chǎn)量達到了9.6mg/L(6.3x10^-3mg/g)[1]。

參考文獻

[1]程俊譯,李冬,曾偉主,等. 解脂亞洛酵母從頭合成胭脂紅酸[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè),2025,51(20):35-43. DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.041864.