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japonaisComment obtenir l’astaxanthine synthétique?
Astaxanthine (C40H52O4) est un caroténoïDe/enDe/entype céto-avec le nom chimique 3,3' dihydroxy-4,4' -dione-bêta, bêtA a' -carotène. SA astructure chimique est illustrée à lA aFigure 1: quatre unités d’isoprène sont reliées par De/endoubles liaisons conjuguées, avec deux unités d’isoprène à chaque extrémité pour former un anneau à six membrures.
L’astaxanthine A atrois isomères optiques. La différence entre les trois isomères optiques est que parmi les stéréoisomères all-trans d’astaxanthine, l’activité antioxydante de l’astaxanthine racémique est la plus faible, l’astaxanthine dextrorotatoire a la capacité la plus forte de piéger les radicaux libres, Et etl’astaxanthine lévorotatoire a un effEt etinhibiteur plus fort sur la peroxydatiSur lelipidique Et etl’activité immunitaire [1-2]. L’astaxanthine a une variété d’effets en plus de sSur leactivité antioxydante, Y Yycompris des effets anticancéreux, anti-inflammatoires Et etanti-diabétiques [3]. En outre, l’astaxanthine est le seul caroténoïde qui peut pénétrer les barrières hémato-encéphalique Et ethémato-rétine Et eta un effEt etpositif sur le système nerveux central Et etla fonctISur leioncérébrale. Par conséquent, l’astaxanthine est largement utilisée dans les aliments, les soins de santé, les cosmétiques Et etles additifs alimentaires [4].
L’astaxanthine naturelle se trouve principalement dans le milieu mardanssous forme d’astaxanthine libre Et etestérifiée.L’astaxanthine libre est instable Et etfacilement oxydée....... En raisSur lede la présence de groupes hydroxyle dans la structure cyclique terminale, l’astaxanthine est facilement combinée avec des acides grEn tant quepour former des Les estersd’astaxanthine Et etexiste de manière stable. Environ95% des molécules d’astaxanthine de Haematococcus pluvialis sont estérifiées avec des acides grEn tant queet stockées dans des corps lipidiques cytoplasmiques riches en triacylglycérols [5].
L’astaxanthine estérifiée est divisée en monoesters d’astaxanthine et diesters d’astaxanthine selon les acides grEn tant queauxquels ils sont liés. H. :: pluvialis peut accumuler jusqu’à 4% d’astaxanthine (poids sec), et HOLTIN et Al., et al.[6] ont constaté que 95% de l’astaxanthine accumulée sous un fort stress léger était estérifiée avec des acides gras. Bien que le mécanisme de l’interaction entre l’astaxanthine et les acides gras dans les organismes ne soit pas encore clair, la stœchiométrie de l’astaxanthine et la biosynthèse des acides gras a été observée chez H. pluvialis. Chen et Al., et al.[7] ont analysé le mécanisme de coordination entre les deux voies de biosynthèse de l’astaxanthine et des acides gras chez H. pluvialis. Le mécanisme de coordination entre les deux voies de biosynthèse de l’astaxanthine et des acides gras, eta révélé que cette interaction se produit au niveau des métabolites plutôt qu’au niveau transcriptionnel. Des expériences In En directet In vitro ont montré que l’estérification de l’astaxanthine favorise sa formation et son accumulation.
Actuellement, les méthodes de préparation de l’astaxanthine au pays et à l’étranger peuvent être divisées en deux catégories principales: la synthèse chimique et la biosynthèse. L’astaxanthine synthétisée chimiquement est un mélange de trois structures [5,8] (l-: racémique: d-1:2:1), et est principalement utilisé comme colorant industriel. Cependant, il n’est pas autorisé à être utilisé dans les domaines alimentaire et pharmaceutique. L’astaxanthine biosynthétisée peut être utilisée dans les domaines alimentaire et pharmaceutique. Certaines microalgues, champignons, bactéries et espèces végétales spécifiques ont la capacité de synthétiser l’astaxanthine dans la nature.
H. Pluvialis est considéré comme l’un des producteurs les plus prometteurs d’astaxanthine dans la nature. Ces dernières années, il a été constaté que de nombreuses souches du genre Thraustochytrium ont également la capacité de synthétiser l’astaxanthine [9], et la lévo-astaxanthine synthétique représente plus de 90% de l’astaxanthine totale. Des chercheurs précédents ont passé en revue les méthodes et les voies de synthèse chimique de l’astaxanthine [10] et ont décrit les niveaux de La productionactuels des producteurs naturels d’astaxanthine [11]. Cette revue se concentrera sur la biosynthèse de l’astaxanthine et les voies anabolisantes de l’astaxanthine dans différents organismes, en se basant sur une revue des voies de synthèse chimique, en mettant l’accent sur la synthèse chimique et la biosynthèse. Cet article vise à fournir aux lecteurs un aperçu au niveau macro de la biosynthèse de l’astaxanthine et à les aider à comprendre rapidement les progrès de la recherche dans les méthodes de synthèse de l’astaxanthine.
1 synthèse chimique de l’astaxanthine
La synthèse chimique de l’astaxanthine peut être divisée en synthèse totale et semi-synthèse. La synthèse totale de l’astaxanthine utilise des matières premières chimiques comme matière première pour obtenir l’astaxanthine par des réactions de synthèse chimique. La semi-synthèse utilise des caroténoïdes tels que la canthaxanthine, la lutéine et la zéaxanthine comme matière première pour préparer l’astaxanthine.
1.1 synthèse chimique totale de l’astaxanthine
Tant au pays qu’à l’étranger, une série d’études ont été effectuées sur le total chimiqueVoie de synthèse de l’astaxanthine....... Les deux principales entreprises de synthèse chimique de l’astaxanthine sont Hoffmann-La Roche et BASF. Les deux sociétés utilisent des voies synthétiques similaires pour produire l’astaxanthine par synthèse chimique, en utilisant la voie C9 + C6 → C15, 2C15 + C10 → C40. Hoffmann-La Roche utilise le 6-oxo-isophthalone comme matière première [12]. Tout d’abord, l’acétone et le formaldéhyde sont utilisés pour produire de la butérone insaturée α-β par hydroformylation, condensation et déshydratation dans des conditions alcalines faibles. Ensuite, ajout de 1,2-nucléophile pour former un alcool tertiaire à six carbones, qui est réarrangé sous l’action de l’acide sulfurique. Le groupe hydroxyle du produit est protégé pour réagir avec 6-oxoisophthalone, et enfdansune réaction Wittig bilatérale se produit sous l’action d’une base forte pour synthétiser l’astaxanthine.
Dans la voie synthétique du BASF [13-14], le 6-carbone-1-yne-3-ol intermédiaire n’est pas d’abord acidifié et réarrangé, mais le groupe hydroxyle est protégé et subit une série de transformations avec la 6-oxoisophthalone, et le réarrangement se produit pendant la transformation, et le produit cible final astaxanthine est obtenu. La voie synthétique de l’astaxanthine utilisée par le chercheur chinois Pi PiQing, etc. [10] est différente de la voie synthétique étrangère. Il utilise la voie synthétique C13 + C2 → C15, 2C15 + C10 → C40 pour préparer l’astaxanthine. Il utilise l’α-ionone comme matière première, qui est traitée avec l’acide m-chloroperoxybenzoïque, subit une série de transformations intermédiaires, est acidifiée et réagencée sous l’action de l’acide bromhydrique, puis réagit avec la triphénylphosphine pour former un sel de pentadécyl triphénylphosphonium, et finalement subit une réaction Wittig bidirectionnelle pour former l’astaxanthine. La caractéristique unique de la voie synthétique de Pi Qingping et Al., et al.[10] est l’utilisation d’une nouvelle méthode pour synthétiser le composé C15 intermédiaire clé. Le matériau de départ de cette méthode est facile à obtenir, la réaction a une sélectivité élevée et le rendement global est élevé.
La réaction d’esprit est une réaction caractéristique de la voie de synthèse totale de l’astaxanthine. Ce type de voie de synthèse présente les avantages d’une technologie simple et à faible coût. Bien que les processus des deux voies Hoffmann-La Roche et BASF soient très complexes, le processus de La productionest long, le contrôle du processus intermédiaire est difficile et strict, mais le coût de synthèse est faible, le prix est bon marché, et la production industrielle a été réalisée. C’est la principale source industrielle d’approvisionnement en astaxanthine sur le marché (Figure 2).
1.2 semi-synthèse chimique de l’astaxanthine
La semi-synthèse est une méthode qui utilise des caroténoïdes tels que la canthaxanthine, la lutéine et la zéaxanthine comme matières premières pour préparer l’astaxanthine [15]. La méthode classique utilise la lutéine comme matière première, et la lutéine est catalysée par un alcali pour subir une réaction d’isomérisation pour produire de la zéaxanthine. En utilisant le 1,2-propanediol comme solvant et l’hydroxyde de potassium comme catalyseur, la réaction a été effectuée à 110 °C CCpendant 168 h. La zéaxanthine a été directement oxydée en astaxanthine sous l’action de l’iode et du bromate de sodium.
Lorsque la canthaxanthine est utilisée comme matière première, l’astaxanthine est synthétisée par quatre processus: l’alkalisation, la silylation, l’époxydation et l’hydrolyse. Il se caractérise par une synthèse rapide et un rendement élevé (rendement d’environ 60%). En raison du coût élevé de la canthaxanthine et de certains dangers dans le processus de production, il est actuellement difficile de réaliser une production industrielle à grande échelle. Par rapport à la méthode de synthèse totale, la méthode de semi-synthèse a une activité biologique élevée, mais un rendement faible, et il est difficile d’obtenir une production à grande échelle (Figure 3).
2 biosynthèse de l’astaxanthine
2.1 voie métabolique de l’astaxanthine
L’astaxanthine est le produit final du métabolisme des caroténoïdes C40. La synthèse des caroténoïdes dans les organismes vivants peut être divisée en trois étapes: la première est le métabolisme central du carbone, la seconde est la synthèse des précurseurs des caroténoïdes diphosphated’isopentenyl(IPP) et dimethylallyl diphosphate (DAMPP), et la troisième est la synthèse des caroténoïdes.
La première étape est le cycle central du métabolisme du carbone. Les organismes utilisent le glucose, le fructose et d’autres Sources d’informationde carbone pour synthétiser des substances telles que le glycérol-3-phosphate (G3P), le pyruvate et l’acétyl-coa par la voie glycolytique. Le glycérol-3-phosphate, le pyruvate et l’acétyl-coa passent à l’étape suivante en tant que précurseurs de la ppi et du DAMPP. 1 et 2.En même temps, une partie de l’acétyl-coa entre dans le cycle de l’acide tricarboxylique (TCA). Le cycle de l’acide tricarboxylique est la voie métabolique finale pour les trois principaux nutriments (les sucres, les lipides et les acides aminés) et est également le centre qui relie le métabolisme des sucres, des lipides et des acides aminés. Le cycle de l’acide tricarboxylique synthétise une variété de métabolites qui circulent dans toutes les directions du métabolisme cellulaire. En même temps, le cycle de l’acide tricarboxylique produit également une grande quantité d’adénosine triphosphate (ATP) et de coenzyme II Iréduite (NADPH), qui fournissent l’énergie et la puissance réductrice pour la transformation des substances dans les deux derniers stades.
La deuxième étape est la synthèse de la ppi et du DAMPP,les précurseurs des caroténoïdes. Il existe deux voies synthétiques naturelles pour la synthèse de la ppi et du DAMPP: la voie méthyl-d-érythritol-4-phosphate (MEP) et la voie mévalonate (MVA). La voie MVAAse trouve principalement chez les eucaryotes et les archées, et est la seule voie de formation de la ppi chez les archées, la levure et certaines bactéries gram-positives [16]. La voie du Membre du parlement européenest présente dans les plantes, les algues et la plupart des bactéries. Ces plantes et algues peuvent produire de la pip par la voie MVA AAdans le cytoplasme et la voie MEP dans les plastides [17-18]. Jusqu’à la fdansdu xxe siècle, le MVA était considéré comme la seule source de précurseurs du diphosphate d’isopentenyle pour la synthèse des terpénoïdes, y compris les caroténoïdes. Dans la voie MVA, A,A,A,A,l’acyl-coa est converti en hydroxyméthyl-triméthyl-pentanoyl-coenzyme coenzyme (HMG-CoA). Le HMG-CoA est converti en méthyl-d-malonyl-d-glutaronate par la HMG-CoA réductase, et le méthyl-d-malonyl-d-glutaronate est converti en IPP par une série de réactions de phosphorylation.
Dans la voie MEP,les molécules de glycérol triphosphate et pyruvate subissent des réactions de condensation et d’isomérisation pour former MEP. Après que MEP est couplé avec le triphosphate de cytidine, une série de réactions de phosphorylation sont effectuées pour former IPP,qui isomérise pour produire l’isomérisation de DAMPP d’isomère pour générer le DAMPP d’isomère. Les premières études ont montré que la voie MVA a été perdue chez de nombreuses algues vertes et rouges, et la voie MEP est la seule voie pour la synthèse de la pip chez Haematococcus pluvialis [19]. À mesure que la recherche continue de s’approfondir, de multiples résultats indiquent que le phénomène selon lequel la voie du peo est la seule voie de synthèse de la pip peut être courant dans les cellules d’algues vertes [20].
Cependant, la plupart des gènes de la voie MEP n’ont pas été trouvés dans les données du transcriptome d’aurantiochytrium Sp.SK4, et la voie du mévalonate (MVA) a été impliquée dans la formation de la pi dans les cellules d’aurantiochytrium Sp.SK4 [21]. De plus, Henry et Al., et al.[22] ont découvert chez les plantes une troisième voie catalysée par l’isopentenyl phosphate kinase cytosolique. Cette voie MVA est la même que l’autre voie MVA trouvée dans certains archaea et le phylum Chlorophyta des bactéries en tradansde former MVAP. La différence est que le MVAP dans les bactéries est converti par le phosphométhylpenténate décarboxylase (MPD) en isopentenyl phosphate (IP), qui est ensuite phosphorylé en IPP par l’isopentenyl monophosphate kinase (IPK). Bien que les voies MVA et MEP soient présentes dans les plantes, la voie MEP est la principale source de précurseurs caroténoïdes dans les plantes [23].
La troisième étape est la synthèse des substances de type caroténoïde. DAMPP et IPP sont synthétisés dans un rapport de 1:3 par l’action de la pyrophosphate synthase (CrtE) pour former le diphosphate de farnesyl (FPP). La FPP est ensuite convertie par pyrophosphate synthase pour former du géranylgéranyl pyrophosphate (GGPP). Le GGPP est condensé par l’octahydro-lycopène synthase (CrtB) et la phytoène dénaturase (CrtI) pour former du lycopène, qui est synthétisé en β-carotène par le lycopène cyclase (CrtY). La troisième étape, la synthèse de l’astaxanthine, diffère dans la voie de synthèse dans différents organismes, mais est principalement produite par l’hydroxylation et la formation de cétone du β-carotène.
Chez Phaffiarhodozyma, l’astaxanthine est synthétiquée à partir de la zéaxanthine par les enzymes du cytochrome P450 [24]. Chez les bactéries et les algues, il est principalement synthétisé par la β-carotène hydroxylase (CrtZ) et la β-carotène kétolase (CrtL Llou BKT). La xanthophylle de maïs est convertie de la β-cryptoxanthine par l’action de l’enzyme spécifique β-carotène hydroxylase. Les corps kétène et 4-cétone de β-carotène sont convertis en canthaxanthine par β-carotène kéttolase, et canthaxanthine est converti en astaxanthine par la phycoerythrine (astaxanthinamide).
Dans différentes espèces, l’ordre d’action de la β-carotène hydroxylase et de la β-carotène ktolase dans la conversion catalytique du β-carotène en astaxanthine est différent. LIU et Al., et al.[25] ont utilisé la β-carotène ketolase d’haematococcus pluvialis exprimée hétérologue dans les cellules de Synechocystis Sp.PCC 6803), LIU et Al., et al.Ont constaté que l’astaxanthine était d’abord synthétisée dans les cellules de Synechocystis et atteindait une teneur de (4,81 ± 0,06) mg/g de poids cellulaire sec (DCW). Des expériences In vitro [26-27] ont également confirmé que la voie optimale pour la synthèse de l’astaxanthine chez Haematococcus pluvialis est la réaction catalytique de l’enzyme kétolase, suivie de la réaction d’hydroxylation de l’enzyme hydroxylase (Figure 4).
2.2 les bactéries synthétisent l’astaxanthine
L’astaxanthine a été trouvée dans plusieurs types de bactéries, y compris la bactérie à gram-positif Brevundimonas sp. et les bactéries à gram-négatif Sphingomonas sp., Par acoccus haeundaensis), méthylomonassp. et Altererythrobacter ishigakiensis (tableau 1).
La présence de précurseurs de la biosynthèse de l’astaxanthine dans certaines bactéries et l’identification d’un certadansnombre de gènes clés dans la voie de biosynthèse de l’astaxanthine ont permis de construire des souches à haut rendement produisant de l’astaxanthine. Il a été constaté qu’en transférant les gènes caroténoïdes crtL, l,crtZ,crtY,crtI, crtB et crtE de la bactérie marinePseudoalteromonas luteoviolacea dans E.coli, une souche d’e. Les colimodifiée qui produit de l’astaxanthine a été construite avec succès, et le rendement a atteint 400 μg/g de DCW [36]. Chez E.coli, la surExpression:des deux principales enzymes limitant le taux, DXP synthase (DXP) et IPP isomérase (IDI), augmente l’offre de IPP et de DMAPP.
En augmentant le flux métabolique des précurseurs de isopentenyl diphosphate, la production de caroténoïdes tels que le lycopène ou le β-carotène peut être considérablement augmentée. Cependant, pour la biosynthèse hétérologue de l’astaxanthine dans E.coli, la conversion du β-carotène en astaxanthine est l’étape la plus critique pour atteindre la biosynthèse efficace de l’astaxanthine. À l’aide de la technologie de recombinaison λ-Red, un E. coli sans plasme a été construit, et les gènes de biosynthèse xanthophylles de Pantoea ananatis et de Phaffiaont été intégrés dans le chromosome d’e. coli BW-CARO Opour obtenir la souche modifiée E. coli BW-ASTA. Cette souche produit 1,4 mg/g de DCW d’astaxanthine après expression hétérologue. Dans Corynebactérieglutamicum, Corynebactérieglutamicum a réussi à synthétiser l’astaxanthine après avoir exprimé les gènes codants du lycopène cyclase CrtY,de la β-carotène ketolase CrtW et de la β-carotène hydroxylase CrtZ Zde Fulvimarina pelagi, et le rendement pourrait atteindre 0,4 mg/L/h [32].
Bien que le niveau de synthèse de l’astaxanthine par les bactéries elles-mêmes soit très différent de celui des algues, la synthèse de l’astaxanthine dans les bactéries est d’une grande importance et fournit les séquences de gènes correspondantes pour la construction de souches modifiées ultérieures.
2.3 synthèse de l’astaxanthine par la levure
Actuellement, Rhodotorula glutinis est la principale source de levure d’astaxanthine naturelle et a été appliquée dans l’industrie aquacole. La recherche sur la synthèse de l’astaxanthine par Rhodotorula glutinis s’est concentrée sur l’isolement de souches, la mutagénèse et le génie génétique pour obtenir des souches productrices d’astaxanthine à haut rendement. La levure rouge est un champignon basidiomycète qui aime facultativement le froid et une levure à basse température.
L’astaxanthine qu’il synthétise a une structure dextrorotatoire et est le caroténoïde principal synthétisé par la levure rouge comme métabolite secondaire. La concentration de synthèse de l’astaxanthine de la levure rouge de type sauvage est d’environ 200-400 μg/g DCL, l,et la mutation de souche peut obtenir des souches mutantes avec une production élevée d’astaxanthine. La souche sauvage de Phaffia rhodozymaa été mutagénée à l’aide de réactifs chimiques tels que l’antimycine, la nitroguanyldans(NTG) et la méthylnitro-nitroguanidine, ainsi que de la lumière ultraviolette et de la technologie de faisceau ionique à faible énergie. Une souche d’astaxanthine à haut rendement A été obtenue par dépistage (pour un résumé des souches mutantes, voir le tableau 2). Le rendement de la souche E5042, qui A été induit par l’implantation de faisceaux ioniques à faible énergie dans la souche mutante Phaffia rhodozymaZJB00010, peut atteindre 2512 μg/g [37]. Les avantages de la levure de riz rouge, tels que sa capacité à utiliser une variété de sources de carbone, le cycle de fermentation court, la culture à haute densité dans les fermenteurs, et la vitesse de production rapide, en ont fait une excellente souche pour la production industrielle d’astaxanthine.
En outre, les souches modifiées par levure ont de bonnes perspectives d’applicationdans la production d’astaxanthine (tableau 2). Yarrowia lipolytiquea une production élevée de pi et de DMAPP. Des études ont révélé que le CrtZ est l’enzyme clé qui catalyse la conversion du β-carotène en astaxanthine. Le gène codant la β-carotène hydroxylase CrtZ de Pantoea ananatis et le gène codant la β-carotène kétolase CrtW de Paracoccus sp. N81106 ont été introduits dans le génome de Yarrowia lipolytica. Gène codant CrtZ d’enzyme et gène codant CrtW de la β-carotène kétolase de Paracoccus sp. N81106. La souche modifiée ST7403 a obtenu un rendement élevé d’astaxanthine de 3,5 mg/g de DCW (54,6 mg/L) [40]. L’introduction des gènes crtZ et BKT d’haematococcus pluvialis dans SaccharomycesLes cerevisiaepar génie génétique peut augmenter l’efficacité de conversion du β-carotène en astaxanthine et réaliser l’accumulation d’astaxanthine dans les cellules. Chez un mutant positif de GGPP synthase, tHMG1 a été surexprimé, et les gènes codants des trois enzymes limitant la vitesse CrtI CrtY et CrtB ont été surexprimés. Chez une souche diploïde optimisée, les gènes codants du CrtZ et du BKT ont été surexprimés, et l’accumulation d’astaxanthine a atteint 8,10 mg/g de DCW [42]. Il est à noter que l’astaxanthine synthétisée est de la structure lévorotative.
2.4 synthèse de l’astaxanthine par microalgues
Les microalgues désignent généralement les microorganismes qui contiennent de la chlorophylle a et qui peuvent être photosynthétisés. La plupart des microalgues peuvent non seulement synthétiser divers ingrédients bioactifs tels que les acides gras polyinsaturés et les polysaccharides microalgues, mais peuvent également accumuler une grande quantité de caroténoïdes. Certaines microalgues ont leur propre voie complète de synthèse de l’astaxanthine. Parmi elles, les microalgues unicellulaires d’eau douce comme Haematococcus pluvialis et Chlorella vulgaris sont les principales sources de biosynthèse de l’astaxanthine. En outre, euglena (Halamidomonas), euglena (euglena), et Aceta- bulardanscontiennent également de l’astaxanthine.
Lorsqu’elles sont exposées au stress environnemental, les cellules de microalgues peuvent passer de la forme verte photosynthétique à la forme rouge kystique. En effet, les cellules de microalgues ont synthétisé de grandes quantités d’astaxanthine pour contrer l’environnement défavorable à leur croissance. La biosynthèse de l’astaxanthine dans les microalgues Chlorella pyrenoidosa commence tôt dans la phase de croissance exponentielle. Les cellules poussent généralement dans des conditions optimales sous la forme verte et photosynthétique. Les conditions stressantes induisent l’accumulation d’astaxanthine et les cellules prennent une forme rouge et kystique. Contrairement aux caroténoïdes primaires, qui constituent les composants structurels et fonctionnels de la photosynthèse (par exemple, le β-carotène, la zéaxanthine et la lutéine), l’astaxanthine peut s’accumuler en grandes quantités dans des conditions de stress telles qu’une lumière élevée, une salinité élevée et une carence en nutriments. Dans des conditions de stress environnemental telles qu’une faible nutrition et une lumière élevée, la formation de capsules commence et une grande quantité d’astaxanthine est accumulée. La lumière, la température, la salinité et les réactifs chimiques affectent tous la synthèse de l’astaxanthine au niveau moléculaire.
L’oxygène de faible activité excessif produit dans les cellules dans des conditions à haute température affaiblit le métabolisme des caroténoïdes. La lumière élevée [44] et l’acétate [45], le jasmonate de méthyle [46] et la gibberelline [46] ont tous pour fonction de favoriser l’expression de gènes clés liés à la voie de biosynthèse des caroténoïdes. L’acétate, le jasmonate de méthyle et l’acide gibbérellique favorisent la biosynthèse de l’astaxanthine en améliorant l’expression du gène crtZ et en inhibant l’expression du gène lcyE. Par rapport aux conditions d’induction telles que l’acétate, l’intensité lumineuse élevée affecte l’expression des gènes PDS,crtISO, lcyB,lut1, lut5 et zep, ce qui favorise la biosynthèse des caroténoïdes dans une plus grande mesure et est le principal moteur derrière les changements dans l’expression des gènes liés à la synthèse des caroténoïdes. Des études ont montré que dans des conditions de lumière élevée, le cycle de Calvdanset le cycle de l’acide tricarboxylique fournissent plus de précurseurs pour d’autres métabolismes. La β-carotène hydroxylase, l’hexahydro-lycopène synthase et l’octahydro-lycopène dénaturase sont toutes surrégulées, ce qui augmente l’accumulation d’astaxanthine intracellulaire.
La production industrielle d’astaxanthine extraite d’haematococcus pluvialis a commencé à grande échelle à la fdansdes années 1990. En tant que type d’organisme photosynthétique unicellulaire, la cellule d’haematococcus pluvialis de type sauvage peut contenir jusqu’à 4% d’astaxanthine en poids sec. Il a également les caractéristiques de l’utilisation élevée de l’énergie légère et de la croissance rapide, et a été reconnu comme une souche sûre de production en Chine.
Cependant, l’industrialisation d’haematococcus pluvialis nécessite l’utilisation d’un photoréacteur pour assurer la photosynthèse, ce qui augmente considérablement les coûts de production. Par conséquent, le développement de nouvelles ressources et technologies pour réduire les coûts de production est devenu le centre de la recherche actuelle.
2.5 des microorganismes eucaryotes marins synthétisent l’astaxanthine
Thraustochytrium est un type de micro-organisme eucaryote semblable à une microalgue mais manquant de chloroplastes et donc pas photosynthétisant. Les cellules peuvent accumuler une grande quantité de substances actives bénéfiques pour le corps humain, telles que les lipides, les pigments et le squalène. En outre, Thraustochytrium, Schizochytrium, et Aurantiochytriumpeuvent également accumuler des caroténoïdes tels que le β-carotène et l’astaxanthine. Des études ont révélé que les métabolites du Thraustochytrium, du Schizochytriumet de l’aurantiochytrium diffèrent selon les conditions de la source de carbone. Des études métaboliques connexes sont actuellement en cours (tableau 3). Pendant la fermentation du glycérol comme source de carbone par le Schizochytrium, le glycérol favorise principalement la biosynthèse des métabolites secondaires du Schizochytriumen améliorant l’activité glycolytique et en produisant du NADPH. En utilisant des sous-produits de brassage et des déchets de mélasse comme source de carbone pour Thraustochy- triidae sp. et Aurantiochytrium sp., la production d’astaxanthine a été augmentée avec succès tout en réduisant les coûts de production, ce qui a amélioré la possibilité de commercialiser la biosynthèse de l’astaxanthine chez Thraustochy- triidae sp.
En outre, la production d’astaxanthine dans les cellules peut être encore renforcée par le stress environnemental, la mutagénèse, le génie génétique et d’autres moyens. L’astaxanthine a une forte capacité antioxydante. Lorsque les cellules sont sous stress, le métabolisme des caroténoïdes dans les cellules est amélioré, ce qui augmente considérablement la production d’astaxanthine et aide les cellules à résister aux environnements défavorables. Des études ont montré que le butanol et le méthanol à certaines concentrations ont pour effet d’induire la synthèse d’astaxanthine chez Schizochytrium limacinumB4D1. Lorsque 5,6 % de méthanol a été ajouté au milieu de culture, la teneur totale en astaxanthine a augmenté à environ 3300 μg/g, et l’astaxanthine synthétisée était principalement 3S-3'L lstructure [47].
Une fois la voie métabolique clarifiée, des souches d’astaxanthine à haut rendement ont également été obtenues dans l’aurantiochytrium par des techniques de génie génétique. Chez la souche d’aurantiochytrium sp. SK4, le gène codant pour l’hémoglobine de la diatomée Vitreoscillastercoraria (VHB) a été surexprimé, et la production d’astaxanthine a augmenté de 9 fois pour atteindre 131,09 μg/g [21]. En outre, des souches d’astaxanthine à haut rendement peuvent être obtenues par mutagénèse de souches sauvages à l’aide de rayons γ, de produits chimiques NTG et d’autres méthodes. Le rendement en astaxanthine de la souche à haut rendement Schizochytrium SH104 obtenue à l’aide des rayons v était trois fois supérieur à celui de la souche originale, atteignant 3,689 mg/L [51]. Schizochytrium a également la caractéristique de ne pas nécessiter de lumière, en plus d’être une souche sûre pour la production de DHA, ce qui en fait une souche potentielle pour la production industrielle d’astaxanthine.
2.6 les plantes synthétisent l’astaxanthine
Quelques espèces de souci sont les seules plantes terrestres qui peuvent produire de l’astaxanthine [56]. Les pétales d’adonis aestivalis et d’adonis annua du genre Adonis présentent une couleur rouge sang vif en raison de l’accumulation d’astaxanthine. Cependant, en raison de la petite taille des fleurs de souci, il est limité dans la production industrielle d’astaxanthine. Cependant, il est un bon vecteur de la voie de synthèse de l’astaxanthine dans les plantes supérieures et fournit une référence pour le développement des bioréacteurs de l’astaxanthine. L’astaxanthine est le produit final du métabolisme des caroténoïdes. Bien que de nombreuses plantes n’aient pas la capacité d’accumuler de l’astaxanthine, elles contiennent des niveaux élevés de caroténoïdes.
Les gènes pertinents dans la voie métabolique du β-carotène à l’astaxanthine sont manquants dans ces cellules végétales, ce qui provoque la dégradation du métabolisme au stade de la synthèse du β-carotène. Les chercheurs ont obtenu des souches de plantes génétiquement modifiées produisant de l’astaxanthine à haut rendement grâce au génie génétique. Chez les tomates, la co-expression de la β-carotène kétolase de Chlamydomonas reinhardtii et de la β-carotène hydroxylase d’haematococcus pluvialis a entraîné la régularisation de la plupart des gènes caroténoïdes originaux dans les tomates, orientant efficacement le flux de carbone vers les caroténoïdes et accumulant de grandes quantités d’astaxanthine libre dans les feuilles. L’expression des gènes de Brevundimonas sp. SD212 codant pour le crtW et le crtZ dans le tabac a produit de l’astaxanthine dans les feuilles de tabac à 0,5% de DCW (plus de 70% du total des caroténoïdes) [57].
3 Conclusion et perspectives
L’astaxanthine a de fortes propriétés antioxydantes. Comme l’intérêt du marché pour l’astaxanthine augmente et la demande augmente, l’astaxanthine a une grande valeur d’application et le potentiel de développement dans les exhausteurs de nutrition alimentaire, la santé, l’alimentation animale et d’autres domaines. L’astaxanthine synthétisée chimiquement et biologiquement a différents espaces d’application dans différents domaines. L’astaxanthine synthétisée chimiquement est peu coûteuse et peu coûteuse, a été industrialisée et est la principale source industrielle d’approvisionnement en astaxanthine sur le marché. Avec la montée de l’astaxanthine biosynthétique, les pays sont devenus de plus en plus stricts dans leur gestion de l’astaxanthine synthétisée chimiquement. La La nourritureEt en plusDrug Administration (FDA) des États-Unis a interdit l’astaxanthine synthétisée chimiquement d’entrer sur les marchés des aliments, des produits de santé et d’autres.
L’astaxanthine naturelle biosynthétique a une activité biologique plus élevée et une source plus sûre, répondant aux besoins du marché, en particulier pour les pigments naturels destinés à la consommation humaine, qui est devenu un point critique de la recherche. Cette demande du marché a également suscité une attention accrue sur l’astaxanthine biosynthétique. Cependant, la faible production actuelle d’astaxanthine naturelle entraîne des prix élevés et ne peut pas répondre à la demande générale du marché. En réponse au marché&#La demande croissante d’astaxanthine, la régulation précise de la biosynthèse de l’astaxanthine dans les plantes ou les micro-organismes par la biologie synthétique, l’ingénierie métabolique, l’ingénierie de fermentation, et d’autres moyens est un moyen efficace de réaliser la production industrielle à grande échelle d’astaxanthine naturelle. Les organismes connus qui ont la capacité de synthétiser l’astaxanthine à partir de zéro sont limités à plusieurs types de bactéries, de levures, de microalgues et de plantes [19], de sorte que l’obtention de souches microbiennes produisant l’astaxanthine avec des rendements élevés est une orientation de recherche importante pour la production à grande échelle d’astaxanthine.
En outre, il existe également des défis importants dans le traitement en aval de la biosynthèse, en particulier dans l’extraction et la purification efficaces de l’astaxanthine. Le potentiel de production de l’astaxanthine biosynthétisée est énorme, et les principaux défis qui restent à surmonter nécessitent encore une meilleure ingénierie et innovation pour rendre le procédé plus compétitif en termes de coûts. En bref, la biosynthèse de l’astaxanthine est un domaine attrayant et peut se développer rapidement. On s’attend à ce que la biotechnologie ouvre de nouvelles possibilités pour la production industrielle d’astaxanthine bio-dérivée.
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