综述：酵母中β-胡萝卜素及其衍生物生物合成的研究进展

这篇综述系统总结了酵母（如酿酒酵母S. cerevisiae和解脂耶氏酵母Y. lipolytica）通过代谢工程和发酵优化生产β-胡萝卜素及其衍生物（如叶黄素类Xanthophylls和脱辅基类胡萝卜素Apocarotenoids）的最新进展，为绿色生物制造提供了标准化策略。

　　

Abstract

β-胡萝卜素及其衍生物作为食品补充剂、药物和色素等应用广泛，传统植物提取和化学合成法面临环境与成本挑战。合成生物学推动下，酵母生物合成成为可持续替代方案。本文聚焦酿酒酵母和解脂耶氏酵母的代谢工程策略（如MVA途径强化、异源酶优化）和发酵工艺（如两阶段培养），首次按结构特征将衍生物分为叶黄素类（虾青素Astaxanthin、玉米黄质Zeaxanthin等）和脱辅基类胡萝卜素（β-紫罗兰酮β-Ionone、视黄醇Retinol等），并对比了两类酵母在乙酰辅酶A供应和细胞耐受性上的优劣。

Introduction

β-胡萝卜素衍生物在光合作用和抗氧化中具有核心功能，其商业价值驱动微生物合成研究。酵母凭借GRAS认证、清晰的遗传背景和丰富的合成生物学工具库（如CRISPR-Cas9），成为理想宿主。与传统方法相比，微生物生产可减少90%的土地使用，且通过模块化工程（如启动子文库筛选）实现产量突破。

Biosynthetic pathways

酵母中β-胡萝卜素合成始于甲羟戊酸途径（MVA）生成的IPP和DMAPP（C₅），经GGPP合酶（CrtE）缩合为C₂₀ GGPP，再通过八氢番茄红素合酶（CrtB）等酶逐步形成C₄₀ β-胡萝卜素。衍生物合成关键酶包括：

• 叶黄素类：β-胡萝卜素羟化酶（CrtZ）和酮化酶（CrtW）
• 脱辅基类：类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD）家族

Metabolic engineering strategies

限速步骤突破：

1. 前体供应：过表达乙酰辅酶A羧化酶（ACC1）使解脂耶氏酵母β-胡萝卜素产量提升8倍
2. 酶改造：定向进化CrtW使虾青素产量达1.5 g/L
   细胞工厂优化：

• 动态调控：Gal80p抑制系统平衡生长与生产期
• 亚细胞定位：线粒体靶向储存减少毒性

Fermentation optimization

5L发酵罐中采用两阶段策略（生长期28°C/pH6.0，生产期25°C/pH7.5）使玉米黄质效价提高40%。添加抗氧化剂（如α-生育酚）可缓解氧化应激，而葡萄糖-甘油混合碳源能协同促进脂质积累。

Comparative analysis

解脂耶氏酵母因天然高产脂质（乙酰辅酶A库丰富）在β-胡萝卜素生产中更具优势（最高达2 g/L），而酿酒酵母在分泌型衍生物（如链格孢素Strigolactones）合成中表现更佳。未来可通过基因组尺度模型（GSMM）预测关键节点，结合自动化菌株构建（如Biofoundry平台）加速迭代。

Conclusions

酵母生物合成已实现β-胡萝卜素工业化生产（>20吨/年），但衍生物多样性开发和工艺标准化仍是挑战。跨物种移植藻类MEP途径、开发非天然裂解酶库，以及结合AI驱动的发酵参数优化将是下一阶段研究方向。