胭脂红酸(carminic acid)是一种用途广泛的天然红色着色剂,在绘画染料、纺织、食品添加剂、化妆品和制药等领域均有广泛应用。近年来,胭脂红酸的市场需求逐年增加。长期以来,从寄生于仙人掌的雌性胭脂虫的干燥体中提取是目前胭脂红酸的主要生产方式。由于胭脂红酸繁琐低效的提取过程,存在低得率、成本高和质量差异明显等问题。微生物生产胭脂红酸可以避免这些缺点,可能是可持续供应的潜在替代生产方式。生物合成天然聚酮化合物已开展过很多研究,例如红霉素、洛伐他汀、四环素等聚酮化合物已经使用生物法合成并且广泛利用。
胭脂红酸是一种芳香族聚酮化合物,胭脂红酸的合成路径起始于表达芦荟(Aloe arborescens)来源的聚酮合酶OKS(octaketide synthase,OKS)催化7分子的丙二酰辅酶(malonyl-CoA)和1分子的乙酰辅酶A(acetyl CoA)生成线性的非还原的聚酮化合物,再通过链霉菌(Streptomyces sp.R1128)来源的环化酶Zhul和芳香酶ZhuJ催化线性的非还原的聚酮化合物环化生成蒽酮,然后在氧化酶的催化下生成黄胭脂酮酸。一方面,黄胭脂酮酸可通过糖基化生成DeLL,DcLL在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)来源的5-去甲氧磺双醌羟化酶(5-demethoxyubiquinone hydroxylase,CAT5)催化反应下生成胭脂红酸,另一方面,黄胭脂酮酸可通过羟基化生成胭脂酮酸,胭脂酮酸通过糖基化生成胭脂红酸。
目前,胭脂红酸的生物合成的研究较为广泛,在不同的微生物宿主中均有尝试，在构巢曲霉和大肠杆菌8中实现了胭脂红酸的从头合成,但是这2种底盘菌株生产胭脂红酸的效率都很低。在酿酒酵母中,基于在构巢曲霉中构建的胭脂红酸合成途径进一步挖掘了关键氧化酶FAD依赖性单加氧酶(FAD-dependent monooxygenase,AptC)和CAT5,构建出了一条新的胭脂红酸合成途径,在5L发酵罐水平实现了7 983.8ug/L胭脂红酸的积累。在酿酒酵母中通过挖掘不同的酶和代谢工程改造的方式大大提高了胭脂红酸的生产水平,但是并未达到可进行工业化生产的水平。
合成方法
以解脂亚洛酵母为出发菌株,通过异源表达和筛选途径关键基因,在解脂亚洛酵母中实现了朋脂红酸的从头合成,其产量为0.7mg/L。胭脂红酸的合成需要2个关键前体:丙二酰辅酶A和乙酰辅酶A,通过筛选ACCI突变体和引入非天然丙二酰辅酶A合成途径(non-carboxylative malonyl-CoA formation pathway,NCM途径)强化丙二酰辅酶A的供给,使胭脂红酸产量提高到1.2mg/L。又通过调节脂质代谢强化乙酰辅酶A的供给,使胭脂红酸产量进一步提高到1.5mg/L。为了提高底物的利用效率,将胭脂红酸生物合成途径导入到过氧化物酶体,使胭脂红酸产量达到1.9mg/L。最终,在5L发酵罐中进行分批补料发酵,胭脂红酸产量达到了9.6mg/L(6.3x10-3mg/g)[1]。
参考文献
[1]程俊译,李冬,曾伟主,等. 解脂亚洛酵母从头合成胭脂红酸[J]. 食品与发酵工业,2025,51(20):35-43. DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.041864.