Metabolisk manipuleret bakterie producerer lutein

Lutein er klassificeret som et xanthophyllkemikalie, der er rigeligt i æggeblomme, frugter og grøntsager. Det beskytter øjet mod oxidativ skade fra stråling og reducerer risikoen for øjensygdomme, herunder makuladegeneration og grå stær. Kommercialiserede produkter med lutein er afledt af ekstrakterne af morgenfrueblomsten, som er kendt for at rumme rigelige mængder af lutein. Ulempen ved luteinproduktion fra naturen er dog, at det tager lang tid at dyrke og høste morgenfrueblomster. Ydermere kræver det yderligere fysisk og kemisk baserede ekstraktioner med et lavt udbytte, hvilket gør det økonomisk uigennemførligt med hensyn til produktivitet. De høje omkostninger og lave udbytte af disse bioprocesser har gjort det vanskeligt uden videre at imødekomme efterspørgslen efter lutein.

Disse udfordringer inspirerede metaboliske ingeniører på KAIST, herunder forskerne Dr. Seon Young Park, Ph.D. Kandidat Hyunmin Eun og den fremtrædende professor Sang Yup Lee fra Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik. Holdets undersøgelse blev offentliggjort i Nature Catalysis den 5. august 2022.

Denne forskning beskriver evnen til at producere lutein fra E. coli med et højt udbytte ved hjælp af en billig kulstofkilde, glycerol, via systemmetabolisme. Forskergruppen fokuserede på at løse flaskehalsene i den biosyntetiske vej for luteinproduktion konstrueret i en individuel celle. For det første blev lutein produceret, da luteinbiosyntesevejen blev introduceret, omend i meget små mængder, ved at bruge systemmetabolisme, som er en integreret teknologi til at konstruere metabolismen af ​​en mikroorganisme.

For at forbedre produktiviteten af ​​luteinproduktion blev flaskehalsenzymerne inden for den metaboliske vej først identificeret. Det viste sig, at metaboliske reaktioner, der involverer et promiskuøst enzym, et enzym, der er involveret i to eller flere metaboliske reaktioner, og elektronkrævende cytochrom P450-enzymer er de vigtigste flaskehalstrin i den vej, der hæmmer luteinbiosyntesen.

For at overvinde disse udfordringer blev substratkanalisering, en strategi til kunstigt at rekruttere enzymer i fysisk nærhed i cellen for at øge de lokale koncentrationer af substrater, der kan omdannes til produkter, anvendt til at kanalisere mere metabolisk flux mod målkemikaliet og samtidig reducere dannelse af uønskede biprodukter.

Desuden blev elektronkanalisering, en strategi svarende til substratkanalisering, men forskellig med hensyn til at øge de lokale koncentrationer af elektroner, der kræves til oxidoreduktionsreaktioner medieret af P450 og dets reduktasepartnere, anvendt for yderligere at strømline den metaboliske flux mod luteinbiosyntese, hvilket førte til højeste titer af luteinproduktion opnået i en bakterievært nogensinde rapporteret. Den samme elektronkanaliseringsstrategi blev med succes anvendt til produktion af andre naturlige produkter, herunder nootkatone og apigenin i E. coli, hvilket viser den generelle anvendelighed af strategien i forskningsfeltet.

"Det forventes, at denne mikrobielle celle-fabriksbaserede produktion af lutein vil være i stand til at erstatte den nuværende planteekstraktionsbaserede proces," sagde Dr. Seon Young Park, den første forfatter af papiret. Hun forklarede, at et andet vigtigt punkt i forskningen er, at integrerede metaboliske ingeniørstrategier udviklet fra denne undersøgelse kan være generelt anvendelige til effektiv produktion af andre naturlige produkter, der er nyttige som lægemidler eller nutraceuticals.

"Da opretholdelse af et godt helbred i et aldrende samfund bliver stadig vigtigere, forventer vi, at den teknologi og de strategier, der udvikles her, vil spille en afgørende rolle i fremstillingen af ​​andre værdifulde naturlige produkter af medicinsk eller ernæringsmæssig betydning," forklarede den fremtrædende professor Sang Yup Lee. + Udforsk yderligere

Naturlige regnbuefarvestoffer mikrobielt fremstillet