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为解决虾青素生产难题，研究人员对蓝藻 Synechococcus sp. PCC 11901 进行改造，使其高效合成虾青素，为工业化生产提供新途径。
在五彩斑斓的生物世界里，有一种红色的物质 —— 虾青素（Astaxanthin，简称 Asta）备受关注。它不仅能为生物增添绚丽色彩，还具有强大的抗氧化能力，在饲料、保健品和化妆品等行业有着广泛应用，市场价值高达 60,000 �/kg。目前，虾青素主要通过培养雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）获得，但这种方法存在成本高、产量低的问题，而且雨生红球藻积累虾青素需要特定的胁迫条件，其厚厚的细胞壁也增加了提取难度。为了寻找更高效的虾青素生产方式，来自意大利维罗纳大学和英国帝国理工学院的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》上。
研究人员采用的主要技术方法包括：基因工程技术，对相关基因进行密码子优化、构建重组质粒并转化蓝藻；分析检测技术，利用 PCR、RT-PCR、HPLC、质谱等方法对基因插入、表达以及虾青素的合成和积累进行检测分析；培养技术，通过不同规模的光生物反应器（PBRs）对蓝藻进行培养。
研究结果如下：
- 异源表达 β- 胡萝卜素 4 - 酮醇酶（bKT）：研究人员将来自莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的 bKT 基因导入蓝藻 Synechococcus sp. PCC 11901（Syn11901）中，通过 PCR 和 RT-PCR 等方法验证了基因的正确插入和表达。结果发现，单独表达 bKT 时，虽然能合成一些虾青素，但产量较低，且积累的主要是中间产物角黄素（Canthaxanthin），这表明在 Syn11901 中仅靠 bKT 不足以大幅促进虾青素的合成。
- 共表达 bKT 和 β- 胡萝卜素羟化酶（CrtZ）：为了提高虾青素产量，研究人员构建了同时表达 bKT 和 CrtZ 的重组质粒 p-BC 并转化 Syn11901。HPLC 分析显示，BC 菌株中虾青素成为主要的类胡萝卜素，占总类胡萝卜素的 80% 以上，几乎检测不到角黄素。这表明 CrtZ 的表达有效促进了角黄素向虾青素的转化。
- 虾青素对蓝藻生长的影响及产量评估：研究人员对比了野生型（WT）、对照菌株（KmR）和 BC 菌株的生长情况，发现 BC 菌株在指数生长期生长速度更快，尽管其叶绿素 a（Chl a）含量有所降低，但这可能有利于光穿透，提高光合效率。在不同光照强度下培养 BC 菌株，发现随着光照强度增加，生物量和虾青素积累量都增加。在 2250 μmol/m2/s 光照下培养 4 天，虾青素产量可达 38.4 mg/L，平均生产速率约为 9.6 mg/L/ 天，超过了雨生红球藻等其他生产系统。
- 营养饥饿对虾青素产量的影响：研究人员测试了营养饥饿对 BC 菌株虾青素产量的影响，发现氮、磷、铁饥饿均未提高虾青素产量，反而会降低生物量，因此营养饥饿不是提高虾青素产量的有效策略。
- 放大培养：研究人员将 BC 菌株的培养规模扩大到 330-L PBR，结果表明，虽然大规模培养的生物量浓度低于 80-mL PBR，但表面生产力与 750 μmol/m2/s 光照下的 80-mL PBR 相近，说明光照穿透是大规模培养中生物量积累的限制因素。
研究结论和讨论部分指出，通过代谢工程改造 Syn11901，实现了在光自养生长条件下高效生产虾青素，无需营养饥饿等胁迫条件。与其他生产系统相比，Syn11901 具有优势，其主要类胡萝卜素是虾青素合成的前体，有利于高效生产虾青素。此外，Syn11901 还能产生藻蓝蛋白，可用于食品和化妆品行业，因此利用 Syn11901 BC 菌株构建生物炼制工艺具有广阔的工业应用前景。同时，该菌株光合效率高，可与 CO?排放过程集成，实现碳封存和转化为高价值产品。不过，目前仍有提升空间，比如通过进一步代谢工程改造提高前体物质水平、优化光生物反应器设计等。这项研究为虾青素的工业化生产开辟了新路径，具有重要的理论和实践意义。
