摘要：藏红花，被誉为“红色黄金”，其含有的藏红花酸是一种极具价值的天然产物。藏红花酸具有多种生物活性，在预防疾病和营养保健方面效果显著，能保护心肌、肝脏、神经等，还具备抗癌、抗抑郁等功效。不过，藏红花酸的传统生产方式是从藏红花柱头中提取和纯化，常面临着高质量藏红花原
藏红花，被誉为“红色黄金”，其含有的藏红花酸是一种极具价值的天然产物。藏红花酸具有多种生物活性，在预防疾病和营养保健方面效果显著，能保护心肌、肝脏、神经等，还具备抗癌、抗抑郁等功效。不过，藏红花酸的传统生产方式是从藏红花柱头中提取和纯化，常面临着高质量藏红花原料稀缺、提取过程复杂等问题，严重阻碍了藏红花酸的大规模生产与应用。
近日，研究人员利用代谢工程和合成生物学技术为藏红花酸的高效生产带来了新突破。来自伦敦帝国理工学院的 Young-Kyoung Park 和 Rodrigo Ledesma-Amaro等人在 Biotechnology for Biofuels and Bioproducts 期刊发表了一篇题为“Metabolic engineering of Yarrowia lipolytica for the production and secretion of the saffron ingredient crocetin”的研究。研究人员通过将藏红花酸的生物合成途径引入到微生物中，首次实现了在解脂耶氏酵母中从头合成藏红花酸，并通过一系列优化策略大幅提高了藏红花酸的产量。
解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）是一种在学术界和工业界都备受关注的产油酵母，它能高效合成多种类胡萝卜素，如 β-胡萝卜素、玉米黄质等，其中 β-胡萝卜素是藏红花酸的重要前体。而且，解脂耶氏酵母被公认为安全菌株，适合用于食品和医疗领域的生产，这些优势使其成为生产藏红花酸的理想选择。
藏红花酸的生物合成过程可以分为几个关键步骤。首先，酵母菌通过自身的代谢途径合成 β-胡萝卜素。然后，β-胡萝卜素在 β-胡萝卜素羟化酶（CrtZ）的作用下转化为玉米黄质，玉米黄质再在类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD2）的作用下转化为藏红花酸。这一过程不仅需要精确的基因调控，还需要优化微生物的生长条件和发酵工艺，以提高藏红花酸的产量。
图|在酵母中构建的藏花酸生物合成途径，从乙酰 - CoA 开始经过一系列酶促反应最终合成藏花酸
研究人员首先着手构建能大量生产 β-胡萝卜素的菌株，他们基于解脂耶氏酵母衍生的突变体 YB392 的基础上，通过调整基因表达水平等多策略来提高 β-胡萝卜素的产量。一方面，使用含有不同数量 XPR2 启动子和核心 TEF 的上游激活序列（UAS）的混合启动子，发现随着 UAS 数量增加，β-胡萝卜素产量相应提高，在 8UAS TEF 启动子的调控下，β-胡萝卜素滴度可达 2.13 g/L；另一方面，他们优化了基因拷贝数，将表达盒多次整合到基因组中，最终通过双重转化使 β-胡萝卜素产量达到 2.66 g/L ，并选定该菌株作为后续藏红花酸合成的亲本菌株。
在成功构建高产 β-胡萝卜素菌株后，研究人员继续将生物合成途径引入其中，令菌株表达 β-胡萝卜素羟化酶（CrtZ）和类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD2），成功实现藏红花酸的生物合成。令人惊喜的是，在这一合成过程中，研究人员们发现了一个现象：酵母菌能够将藏红花酸分泌到培养基中。这一现象在以往的微生物合成研究中并未被报道，为藏红花酸的生产带来了新的可能性。通过分泌，藏红花酸可以直接从培养基中提取，避免了复杂的细胞破碎和分离步骤，大大简化生产流程，从而的有效提高生产效率。
此外，在发酵过程中，温度也是产量的一个关键调控因素。研究人员发现，藏红花酸的合成在较低温度下（如 20 ℃）更为高效。这是因为类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD2）在低温下具有更高的活性。因此，采用“两步温度调控发酵策略”成为了提高藏红花酸产量的有效手段。具体来说，发酵过程先在 30 ℃ 下进行，以促进酵母菌的快速生长和积累足够的β-胡萝卜素；然后将温度降低到 20 ℃，以优化 CCD2 的活性，从而提高藏红花酸的合成效率。通过这种策略，藏红花酸的产量可以显著提高。
除了温度调控，发酵介质的优化也是提高藏红花酸产量的重要手段。研究人员通过调整碳氮比、优化葡萄糖浓度等方法，进一步提高了藏红花酸的产量。研究表明，当 C/N 比为 5:1 时，藏红花酸浓度最高可达 13.96 mg/L；以 40g/L 葡萄糖为碳源时，藏红花酸产量达到最高的 30.17 mg/L，比之前摇瓶培养藏红花酸的最高报道高出 51%。
图 | 不同温度下藏红花酸、玉米黄质和 β-胡萝卜素的产量及代谢物比例变化
总之，这项研究首次实现了在解脂耶氏酵母中从头合成藏红花酸，通过一系列优化策略大幅提高了藏红花酸产量。同时，该工程菌株在玉米黄质合成方面也表现出色，产量高达 1575.09 mg/L，远超之前报道。这一成果为可持续、低成本地生产藏红花酸和玉米黄质等珍贵化合物奠定了基础，有望推动相关产业的发展，让这些珍贵的天然产物能更广泛地应用于食品、医药等领域。
参考文献：
1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.4c11251
来源：生辉SciPhi