低频磁场通过调控铁代谢促进胶红酵母类胡萝卜素合成的机制研究

本研究针对微生物发酵生产类胡萝卜素的效率优化问题，通过分析低频磁场（LFMF）对胶红酵母（Rhodotorula mucilaginosa）铁代谢与类胡萝卜素合成的调控作用，发现3.5-mT LFMF可上调铁转运受体（TFR）基因表达并下调铁输出蛋白（FPN1）基因表达，从而提升细胞内铁含量并促进类胡萝卜素合成。该研究为微生物源类胡萝卜素的工业化生产提供了新策略。

　　

论文解读

类胡萝卜素作为天然色素界的“多面手”，从食品着色到疾病预防均有广泛应用。然而，传统植物提取法受限于季节和产量，微生物发酵成为理想替代方案。胶红酵母（Rhodotorula mucilaginosa）作为高产菌株，其类胡萝卜素合成效率却常受制于代谢调控机制不明。有趣的是，铁离子（Fe²⁺/Fe³⁺）既是类胡萝卜素合成酶的关键辅因子，过量时又会引发氧化损伤，这种“双刃剑”特性使得铁代谢调控成为突破产能瓶颈的重要靶点。与此同时，物理刺激手段如低频磁场（LFMF）已被发现能影响微生物金属离子稳态，但其对胶红酵母铁代谢与类胡萝卜素合成的调控机制仍是未解之谜。

针对这一科学问题，长江大学的研究团队在《Food Physics》发表论文，首次揭示LFMF通过铁代谢通路调控胶红酵母类胡萝卜素合成的分子机制。研究采用3.0-4.0 mT梯度磁场处理菌株，结合CRISPR/Cas9基因编辑技术构建TFR（转铁蛋白受体）和FPN1（铁转运蛋白）敲除株，通过qRT-PCR、表型分析和铁含量测定等多维度解析LFMF的作用路径。

关键实验方法
研究以胶红酵母野生型（WT）为对象，采用50 Hz LFMF处理12-48小时，通过干重法测定生物量，丙酮萃取法量化类胡萝卜素，邻菲罗啉比色法检测铁含量。利用CRISPR/Cas9系统构建ΔRmTFR和ΔRmFPN1突变株，通过SNR52启动子引导gRNA表达，以新霉素抗性标记筛选转化子。基因表达分析选用β-actin为内参，检测HMGR（3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶）、GGPPS（牻牛儿基焦磷酸合成酶）等类胡萝卜素通路基因及铁代谢相关基因表达。

研究结果

1. LFMF对生长及代谢的影响
   3.5-mT处理使类胡萝卜素产量提升27.3%，细胞内铁含量增加19.8%，且不影响菌体生长。时序分析显示，处理12小时时HMGR和GGPPS基因显著上调，24小时时TFR表达量达峰值（2.1倍），而FPN1下调至对照组的60%。

2. 基因敲除株的表型异变
   ΔRmTFR菌落颜色加深但直径缩小30%，类胡萝卜素含量反升40%；ΔRmFPN1则呈现浅色表型，铁含量激增2.3倍却伴随产量下降15%。这表明TFR缺失可能通过铁饥饿应激激活抗氧化通路，而FPN1缺失导致铁超载毒性。

3. LFMF对突变株的差异化调控
   LFMF处理使ΔRmFPN1的类胡萝卜素产量恢复至WT水平，但对ΔRmTFR无显著影响。特别值得注意的是，ΔRmFPN1经LFMF处理后铁含量仍维持高位，提示FPN1是LFMF调控铁外排的关键靶点。

结论与意义
该研究阐明LFMF通过“TFR上调-FPN1下调”的双通路模式重塑胶红酵母铁稳态：一方面促进铁摄取（TFR），另一方面抑制铁外排（FPN1），使细胞内铁浓度处于最适范围，既满足类胡萝卜素合成酶（如GGPPS、PSY）的辅因子需求，又避免铁过载引发的氧化损伤。ΔRmFPN1在铁蓄积状态下仍能响应LFMF增产类胡萝卜素的现象，为开发高耐受性工程菌株提供新思路。

从应用角度看，3.5-mT LFMF的物理干预手段具有低成本、无污染优势，相较于传统化学诱导法更适于工业化放大。研究首次将磁生物学效应与微生物代谢工程交叉融合，不仅为类胡萝卜素生产提供新技术路径，也为理解物理场-金属离子-次级代谢的互作网络奠定理论基础。未来研究可进一步探索LFMF与其他金属离子（如Zn²⁺、Cu²⁺）的协同调控效应，拓展磁调控在微生物合成生物学中的应用边界。