合成类胡萝卜素细胞工厂的快速构建和定向进化

王颖，曲俊泽，梁楠，郝鹤，元英进

（1 天津大学教育部合成生物学前沿科学中心，天津300072；2 天津大学系统生物工程教育部重点实验室，天津300072；3 天津大学化工学院，天津300072）

类胡萝卜素（carotenoids）是一类由类异戊二烯聚合物构成的天然色素，较为常见的是C40骨架的番茄红素、β-胡萝卜素、玉米黄质、虾青素、辣椒红素等四萜类化合物[1]。由于类胡萝卜素碳骨架结构中的共价多烯结构不稳定，极易通过非特异性（光氧化、化学氧化）和特异性的方式发生裂解，进而又可以生成许多脱辅基类胡萝卜素[2]，例如β-紫罗酮、β-环柠檬醛、藏红花酸等[3-4]。同时，这种共价多烯结构还赋予了类胡萝卜素产品丰富的颜色（红色、橘色、黄色）和超强的抗氧化活性，因此多被应用于功能营养品、化妆品、食品添加剂、动物饲料等领域[5]。据报道[5-6]，类胡萝卜素全球市场价值在2018 年已达到15 亿美元，预计2022 年将增至20 亿美元。随着类胡萝卜素市场需求的急剧增长，直接提取的产率低以及化学合成产品结构特异性差的问题也越来越凸显[5]。而微生物发酵法可利用廉价的碳源合成构型、活性同天然提取的类胡萝卜素一致的产物，是传统生产模式的重要补充。此外，由于类胡萝卜素具有颜色这一特征，还可作为筛选和指示标签在合成生物学方法和工具开发中得以应用，例如，显示类异戊二烯合成路径和竞争路径的通量[7-8]、示踪病原体[9]、监控血液中锌离子的浓度[10]等。因此，构建微生物细胞工厂合成类胡萝卜素逐渐成为合成生物学的研究热点。……