Команда инженеров создала микробную платформу для эффективного производства лютеина
Исследовательская группа KAIST успешно создала микробный штамм, способный производить лютеин в промышленно значимых количествах. Команда под руководством заслуженного профессора Сан Йуп Ли из Департамента химической и биомолекулярной инженерии разработала новый штамм C. glutamicum, используя стратегии системной метаболической инженерии, чтобы преодолеть ограничения предыдущих попыток микробного производства лютеина.
Исследование опубликовано в журнале Nature Synthesis.
Лютеин — это ксантофилловый каротиноид, содержащийся в яичном желтке, фруктах и овощах, известный своей ролью в защите глаз от окислительного стресса и снижении риска дегенерации желтого пятна и катаракты. В настоящее время коммерческий лютеин в основном экстрагируют из цветков календулы. Однако этот подход имеет недостатки: длительное время выращивания, высокие трудозатраты и низкая эффективность экстракции, что делает его экономически нецелесообразным для крупномасштабного производства. Эти проблемы стимулировали спрос на альтернативные методы.
Чтобы решить эти задачи, исследователи KAIST, включая кандидата наук Хюнмин Ын, доктора Синди Присилию Сурья Прабово и заслуженного профессора Сан Йуп Ли, применили стратегии системной метаболической инженерии к C. glutamicum — микроорганизму с статусом GRAS (Generally Recognized As Safe), широко используемому в промышленной ферментации. В отличие от Escherichia coli, которую ранее исследовали для производства лютеина, C. glutamicum не содержит эндотоксинов, что делает его более безопасным вариантом для пищевой и фармацевтической промышленности.
Исследование описывает высокоуровневое производство лютеина из глюкозы как возобновляемого источника углерода с помощью системной метаболической инженерии. Команда сосредоточилась на устранении метаболических «узких мест», ранее ограничивавших синтез лютеина. Используя стратегии канализирования электронов на основе ферментных скаффолдов, исследователи улучшили метаболический поток в сторону биосинтеза лютеина, минимизируя нежелательные побочные продукты.
Для повышения продуктивности были идентифицированы и оптимизированы ключевые ферменты в метаболическом пути. Было установлено, что ограничивающую роль играют цитохромы P450, требующие электронов. Чтобы преодолеть это ограничение, была применена стратегия канализирования электронов: инженерные цитохромы P450 и их партнеры-редуктазы были пространственно организованы на синтетических скаффолдах. Это позволило осуществить более эффективный перенос электронов и значительно увеличить производство лютеина.
Оптимизированный штамм C. glutamicum был доработан в процессе ферментации с подпиткой, достигнув рекордных показателей: 1.78 г/л лютеина за 54 часа, с содержанием 19.51 мг/г сухой биомассы и продуктивностью 32.88 мг/л/ч. Это наивысшая производительность лютеина в любом хост-организме на сегодняшний день. Данный результат демонстрирует возможность замены растительной экстракции на технологию микробной ферментации.
«Мы можем ожидать, что это массовое производство лютеина на основе микробной клеточной фабрики сможет заменить нынешний процесс, основанный на экстракции из растений», — сказал кандидат наук Хюнмин Ын.
Он подчеркнул, что интегрированные стратегии метаболической инженерии, разработанные в этом исследовании, могут быть широко применены для эффективного производства других ценных натуральных продуктов, используемых в фармацевтике и нутрицевтике.
«Поскольку поддержание хорошего здоровья в стареющем обществе становится все более важным, мы ожидаем, что технологии и стратегии, разработанные здесь, сыграют ключевую роль в производстве других медицински и питательно значимых натуральных продуктов», — добавил заслуженный профессор Сан Йуп Ли.