综述：微生物工程合成类胡萝卜素及其裂解产物的研究进展与展望

本综述系统阐述了微生物合成类胡萝卜素（carotenoids）及其裂解产物（apocarotenoids）的最新进展，重点解析了甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓糖磷酸（MEP）途径的关键酶与代谢工程策略，为开发高效、绿色的微生物细胞工厂提供了理论支撑。

　　

摘要

类胡萝卜素及其裂解产物（统称脱辅基类胡萝卜素）因具有抗氧化、呈色和芳香特性，在医药、食品和化妆品领域应用广泛。传统提取法和化学合成法存在效率低、污染大等缺陷，而基于代谢工程和合成生物学的微生物异源合成技术正成为突破性解决方案。

引言

类胡萝卜素是含40碳的四萜类化合物，根据结构可分为含氧类（如叶黄素）和非含氧类（如β-胡萝卜素）。其裂解产物包括维生素A、C₈–C₁₃挥发性物质等，全球市场规模预计2026年达2亿美元。微生物合成凭借周期短、成本低等优势，已实现β-胡萝卜素、虾青素等克级量产。

异源合成途径

核心路径包括：

1. 1.

   前体供应：MVA/MEP途径提供异戊二烯单元，工程化改造可提升GGPP（牻牛儿基焦磷酸）产量；

2. 2.

   下游修饰：通过去饱和酶（如CrtI）、环化酶（如LCYb）等催化生成β-胡萝卜素、番茄红素等；

3. 3.

   裂解反应：CCD（类胡萝卜素裂解双加氧酶）家族酶定向切割生成维生素A、β-紫罗兰酮等高值产物。

微生物细胞工厂

大肠杆菌（E. coli）和解脂耶氏酵母（Y. lipolytica）因遗传操作便捷成为首选宿主。例如，通过动态调控MEP途径，E. coli的β-胡萝卜素产量提升50倍；Y. lipolytica则凭借强大脂质积累能力实现虾青素高效合成。

工程化策略

• •

  途径优化：模块化组装MVA上游模块与胡萝卜素合成模块；

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  酶改造：定向进化CrtZ羟化酶提升虾青素产率；

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  辅因子平衡：NADPH供应调控促进MEP通量；

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  发酵工艺：两阶段培养策略解决细胞生长与产物积累矛盾。

展望

未来需突破限速酶活性不足、细胞毒性等问题，结合AI预测和自动化平台，实现从毫克级到工业级生产的跨越。微生物合成技术有望彻底变革类胡萝卜素产业的绿色制造格局。