大肠杆菌系统代谢工程实现胆绿素与藻红胆素的生物合成

本研究通过代谢工程改造大肠杆菌，首次实现从红藻（Neoporphyra haitanensis）和蓝藻（Arthrospira platensis）中挖掘关键酶基因（HO1/PebS），成功异源合成光合色素胆绿素（BV）和藻红胆素（PEB）。研究揭示了红藻血红素加氧酶（HO）的独特进化特征，为环境友好型藻胆蛋白（PBP）制备奠定基础。

　　

1 引言

藻胆体（PBS）是蓝藻和红藻中捕获光能的核心复合物，由藻胆蛋白（PBP）与开链四吡咯色素（如藻红胆素PEB）共价结合而成。传统PBP提取工艺复杂，本研究探索通过大肠杆菌异源合成BV和PEB的新路径。BV作为血红素降解产物，具有抗炎治疗潜力；PEB则是天然无毒色素，广泛应用于食品和化妆品领域。

2 材料与方法

从福建莆田和江苏大丰采集坛紫菜（N. haitanensis），克隆其血红素加氧酶（NhHO1）和PEB合成酶（NhPebA/NhPebB）基因，与蓝藻（A. platensis）的ApHO1和噬菌体P-SSM2的PebS进行对比。通过pETDuet-I/pRSFDuet-I载体系统在大肠杆菌BL21中表达，采用LC-MS（液相色谱-质谱联用）检测产物。

3 结果

3.1 序列分析

红藻HO在进化树上分为两类：一类与陆地植物聚簇（如NhHO1），另一类与蓝藻相近（如ApHO1）。NhHO1缺失两个关键motif，可能导致其失活。

3.2 酶活性验证

Western blot证实ApHO1（29 kDa）和PebS（29 kDa）成功表达。LC-MS检测显示：

• ApHO1转化菌株产生BV（m/z 583.26，[M+H]⁺）
• ApHO1-PebS共转化菌株合成PEB（m/z 587.28），而NhPebA/NhPebB组合无活性。

4 讨论

4.1 红藻HO的进化特殊性

NhHO1虽具有植物型保守域HemeO，但关键motif缺失使其无法催化血红素裂解。相比之下，蓝藻来源的ApHO1保留了完整的活性中心，这与Gracilariopsis lemaneiformis中双分支HO的研究结果一致。

4.2 双酶系统的优势

PebS可独立将BV还原为PEB，而传统PebA/PebB途径在 prokaryotic 系统中易失活。研究为PEB的微生物合成提供了新策略，未来可通过优化诱导条件（如添加前体ALA）提高产量。

该工作首次解析了坛紫菜PE合成相关酶的序列特征，尽管其内源基因未显示活性，但成功建立的ApHO1-PebS大肠杆菌平台，为规模化生产高值藻胆色素开辟了新途径。