Успех в метаболической инженерии морских водорослей для синтеза ценного антиоксиданта астаксантина

Исследовательской группе под руководством профессора Хасунумы Томохисы из Исследовательского центра инженерной биологии Университета Кобе удалось синтезировать природный пигмент астаксантин с использованием быстрорастущей морской цианобактерии Synechococcus sp. PCC7002.

Для этого процесса потребовались свет, вода и CO₂, чтобы производить ценный антиоксидант астаксантин из клеток цианобактерии с более высокой скоростью и меньшим риском загрязнения, чем предыдущие методы биологического синтеза этого вещества. Кроме того, динамический метаболический анализ показал, что производство астаксантина усиливает центральный метаболизм Synechococcus sp. PCC7002.

Надеются, что эти разработки могут быть использованы для удовлетворения спроса на природный астаксантин в фармацевтической и пищевой промышленности в будущем.

Результаты исследования были впервые опубликованы в международном журнале ACS Synthetic Biology 25 октября 2019 года.

Астаксантин (розовый каротиноид) — самый сильный антиоксидант среди известных каротиноидов. Он используется в качестве натурального красителя в аквакультуре, косметической, пищевой и фармацевтической промышленности, благодаря своим иммуномодулирующим и противовоспалительным свойствам.

В настоящее время большая часть коммерческого астаксантина химически синтезируется из нефтехимического сырья. Однако существуют опасения по поводу безопасности потребления такого астаксантина, и спрос на природный астаксантин растет.

Исследование

Пресноводная водоросль Haematococcus pluvialis производит астаксантин естественным путем, но требует сложного двухэтапного процесса с медленным ростом и риском загрязнения, что делает производство коммерчески нежизнеспособным в больших масштабах.

В данном исследовании для ускорения роста и снижения рисков загрязнения использовали быстрорастущий морской цианобактерий Synechococcus sp. PCC7002 в качестве хозяина. Эта водоросль изначально не производит астаксантин. Ученые интегрировали в нее гены, кодирующие β-каротингидроксилазу и β-каротинкетолазу, из морской бактерии Brevundimonas sp. SD212. Экспрессия этих генов позволила Synechococcus производить астаксантин посредством фотосинтеза, используя только воду, свет и CO₂, без стрессовых условий.

Это первый в мире успешный случай производства астаксантина с использованием этого конкретного морского цианобактерия. Модифицированный штамм Synechococcus sp. PCC7002 с CO₂ в качестве единственного источника углерода дал выход астаксантина 3 мг/г сухого веса клеток при скорости производства 3,35 мг/л/день. Это считается самой высокой скоростью, достигнутой на сегодняшний день с использованием зеленых водорослей.

Динамический метаболический профилинг, разработанный профессором Хасунумой, показал увеличение фракций фосфатов, в частности деоксиксилулозо-5-фосфата (DXP), глицеральдегид-3-фосфата (GAP) и метилэритритол-4-фосфата (MEP) в пути биосинтеза. In vivo мечение углеродом-13 показало, что экспрессия генов, кодирующих β-каротин, усиливает поток углерода в центральном метаболизме.

Это указывает на то, что производство астаксантина усиливает центральный метаболизм Synechococcus sp. PCC7002, чтобы компенсировать недостаток светособирающих пигментов.

Модифицированный Synechococcus sp. PCC7002 является многообещающим хозяином для биологического производства астаксантина через фотосинтез. Метод динамического метаболического профилирования может быть использован для улучшения понимания метаболических процессов у микроорганизмов, растений и животных.