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随着可持续营养保健品、化妆品和药品对类胡萝卜素需求飙升，传统生产方式问题频出。研究人员开展利用基因工程菌株生产类胡萝卜素的研究，发现多种策略可提升产量。该研究为类胡萝卜素生产开辟新路径，极具应用潜力。
在当今的生物制造领域，类胡萝卜素因其广泛的应用价值备受瞩目。它不仅能为食物赋予绚丽色彩，还是人体不可或缺的营养元素，在抗氧化、增强免疫力、预防慢性疾病等方面发挥着关键作用，从食品到医药、化妆品等行业，都离不开它的身影。然而，目前类胡萝卜素的生产却面临诸多困境。化学合成法会产生大量有害废弃物，对环境和健康构成威胁，且成本高昂、工艺复杂，合成产物还可能因结构差异面临监管难题；植物提取法则受限于低生产率、季节性波动、高土地和水资源需求等问题，导致成本居高不下 。在这样的背景下，微生物发酵，尤其是利用酵母生产类胡萝卜素的技术，成为了研究的热点。来自美国斯基德莫尔学院（Skidmore College）、南佛罗里达大学（University of South Florida）和特拉华大学（University of Delaware）的研究人员针对酵母生产类胡萝卜素展开研究，相关成果发表在《Blue Biotechnology》上，为解决类胡萝卜素生产难题带来了新的希望。
研究人员主要运用了基因编辑和代谢组学分析这两种关键技术。在基因编辑方面，借助 CRISPR-Cas9 等先进技术对酵母基因进行精准操作；代谢组学分析则通过 NMR、GC-MS、HPLC-MS、UPLC-MS/MS 等方法，全面剖析酵母细胞内代谢物的变化情况。
酵母中类胡萝卜素的合成途径
酵母自然合成类胡萝卜素依赖甲羟戊酸（MVA）途径。该过程起始于两分子乙酰辅酶 A 在乙酰乙酰辅酶 A 硫解酶作用下缩合生成乙酰乙酰辅酶 A，随后经过一系列复杂反应，生成类胡萝卜素合成的前体物质牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP）。GGPP 在相关酶的催化下，逐步转化为八氢番茄红素、番茄红素，进而生成 β- 胡萝卜素，β- 胡萝卜素再经过羟基化等反应可形成其他类胡萝卜素，如玉米黄质、叶黄素和虾青素等 。值得一提的是，虽然酵母天然不具备甲基赤藓糖醇 4 - 磷酸（MEP）途径，但通过基因工程可将其引入酵母，为类胡萝卜素的合成开辟新的路线。
基因工程提升类胡萝卜素产量
为提高酵母中类胡萝卜素的产量，研究人员采用多种基因工程策略。一方面，对关键途径基因进行修饰，如过表达 MVA 途径中的 HMG-CoA 还原酶（HMGR）和牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶（GGS1），可显著提升 β- 胡萝卜素产量；另一方面，引入异源途径，像在酿酒酵母（S. cerevisiae）中表达来自构巢曲霉（Aspergillus nidulans）的 ATP 柠檬酸裂解酶（ACL）基因，使甲羟戊酸水平大幅增加，促进类胡萝卜素合成 。此外，优化调控元件、进行适应性实验室进化（ALE）、对相关酶进行定向诱变等方法，也都在提高类胡萝卜素产量上取得了良好效果。同时，通过调节前体物质的供应，如增加细胞质中乙酰辅酶 A 的供应、调控法呢基焦磷酸（FPP）的合成和利用等，以及进行辅因子工程、优化细胞形态和脂质代谢等策略，都能有效提升类胡萝卜素的产量和积累量。
代谢组学与合成生物学的结合
尽管代谢工程取得了一定进展，但酵母中类胡萝卜素的产量仍受前体可用性、途径通量分布和辅因子失衡等因素制约。代谢组学分析能够全面检测细胞内代谢物，为优化类胡萝卜素生产提供关键信息。通过对不同酵母菌株在不同生长条件下的代谢物谱进行分析，研究人员发现了影响类胡萝卜素合成的关键代谢瓶颈，例如在某些菌株中，三羧酸循环（TCA）和氨基酸代谢的变化会影响类胡萝卜素和脂肪酸的合成；通过代谢组学指导的策略，如在指数生长期补充外源乙酸盐，可显著提高 β- 胡萝卜素的产量 。这些研究揭示了代谢组学在优化酵母类胡萝卜素生产策略方面的重要作用，为进一步提高产量提供了理论依据。
研究表明，酵母作为生产类胡萝卜素的细胞工厂具有巨大潜力。通过基因工程手段，可有效提升多种类胡萝卜素如 β- 胡萝卜素、虾青素、番茄红素、玉米黄质和紫黄质的产量。代谢组学分析则有助于深入理解酵母代谢网络，精准找到优化类胡萝卜素生产的关键靶点。不过，目前酵母生产类胡萝卜素仍面临成本较高的问题，未来可通过开发低成本底物、培育耐受性更强的菌株、优化下游加工方法等措施加以解决。此外，优化类胡萝卜素生物合成途径、提高关键酶效率、增强酵母对胁迫的耐受性、开发新的合成途径等，也将为酵母生产类胡萝卜素技术的发展注入新动力。这项研究为类胡萝卜素的可持续生产提供了创新思路，有望推动相关产业的变革，在未来的食品、医药和化妆品等领域发挥重要作用，为人类健康和生活品质的提升做出贡献。
