基于工程改良策略的高纯度高活性虾青素生产研究

本研究针对化学合成虾青素(astaxanthin)立体异构体混杂、抗氧化活性低，以及天然提取成本高、产量不足等问题，通过系统优化大肠杆菌(E. coli)的虾青素合成途径。研究人员采用增加CrtZ基因拷贝、构建CrtZ-CrtW融合复合体、改造基因簇（以HpGGPPS3–1替换PanCrtE）等策略，使虾青素产量从0.10 mg/g DCW提升至5.91 mg/g DCW，发酵产量达509.58 mg/L，纯度98.17%。所得产物抗氧化活性显著优于雨生红球藻(H. pluvialis)提取物和化学合成品，为天然活性虾青素的工业化生产提供了新思路。

　　

虾青素（astaxanthin）作为一种强效抗氧化剂，在保健品、化妆品和医药领域需求激增。然而，化学合成法产生的混合立体异构体活性仅为天然产物的1/30，而传统天然来源（如雨生红球藻）又面临培养周期长、提取成本高的瓶颈。面对这一全球市场规模预计达47.5亿美元的产业机遇，如何通过合成生物学手段实现高效、高活性虾青素的绿色制造，成为学界和产业界共同关注的焦点。

深圳大学的研究团队选择大肠杆菌(E. coli)这一经典细胞工厂，通过多维度工程改造策略突破虾青素生物合成的技术壁垒。研究首先聚焦于关键酶优化——β-胡萝卜素羟化酶(CrtZ)和β-胡萝卜素酮化酶(CrtW)是催化β-胡萝卜素转化为虾青素的核心酶系。通过引入CrtZ额外拷贝并构建CrtZ-CrtW融合蛋白，使虾青素产量实现从0.10到0.63 mg/g DCW的阶梯式增长。更值得关注的是，研究团队创新性地采用HpGGPPS3–1替换原始途径中的PanCrtE，结合酶融合技术，将产量进一步提升至1.98 mg/g DCW，这一设计显著减少了中间产物的积累。

在宿主选择方面，研究人员对比了BL21(DE3)、W3110(DE3)等不同大肠杆菌株系的性能，最终通过培养条件优化使产量达到3.61 mg/g DCW。在放大工艺中，建立的补料分批发酵系统实现了509.58 mg/L的突破性产量，生产效率达7.72 mg/L/h，且产物纯度高达98.17%。立体异构体分析证实，该产物与雨生红球藻提取物具有相同的3S,3'S构型。更引人注目的是，自由基和超氧阴离子清除实验显示，工程菌生产的虾青素抗氧化活性显著优于天然提取物和化学合成品。

关键技术方法包括：1）多酶融合表达系统构建；2）基因簇重构与宿主适配性改造；3）发酵工艺参数优化；4）手性色谱分析技术；5）自由基清除活性评价体系。

【主要研究结果】

1. 增加基因拷贝提升产量
   通过过表达CrtZ和构建CrtZ-CrtW融合复合体，使虾青素含量分别提升60%和530%，证实酶剂量平衡对代谢流调控的关键作用。

2. 基因簇改造实现产量跃升
   采用HpGGPPS3–1替换原始PanCrtE的策略，结合酶融合技术，使产量达到1.98 mg/g DCW，显示前体供应优化对途径效率的显著影响。

3. 宿主筛选与工艺优化
   W3110(DE3)菌株展现最佳性能，通过培养条件优化使产量提升至3.61 mg/g DCW，证明宿主生理特性对异源途径表达的决定性作用。

4. 发酵系统建立
   开发的补料分批工艺实现509.58 mg/L的工业化水平产量，纯度达98.17%，为目前报道的最高发酵效价之一。

5. 产物活性评价
   构型分析证实产物为天然活性形式，抗氧化指标超越天然提取物20%以上，打破"工程菌产物活性低"的传统认知。

【结论与意义】
该研究通过"模块化构建-宿主适配-工艺放大"的全链条创新，不仅建立了大肠杆菌高效生产高活性虾青素的技术体系，更开创性地证实工程化改造可提升天然产物的生物学活性。研究提出的酶融合表达策略和基因簇重构方法，为其他高值萜类化合物的生物制造提供了普适性方案。从产业化视角看，该技术使虾青素生产成本有望降低至化学合成法水平，同时保持天然产物的优质特性，对推动抗氧化剂产业的绿色转型具有里程碑意义。论文成果发表于《Journal of Biotechnology》，为合成生物学在天然产物领域的应用提供了典范案例。