Comment synthétiser le bêta-carotène?

Les caroténoïdes sont des caroténoïdes de couleur orange que l’on trouve principalement dans les fruits, les légumes Et etles algues. Le β-carotène, en tant que membre de lA afamille des tétraptérènes, possède une valeur biologique importante, servant d’antioxydant pour améliorer l’immunité humaine Et etprésentant des propriétés anticancéreuses [1]. Il est également un précurseur de la vitamine a Et eta de nombreuses applications dans les produits pharmaceutiques, les suppléments nutritionnels, les cosmétiques Et etles aliments [2]. Avec l’amélioration continue des personnes&#La sensibilisation à la santé, la valeur marchande des compléments nutritionnels augmente progressivement Et etles perspectives du marché sont prometteuses. Les caroténoïdes ont attiré l’attention générale, en particulier le β-carotène, l’astaxanthine, le lycopène Et etla lutéine. Selon les prévisions, la taille du marché mondial des caroténoïdes devrait passer de 2 milliards de dollars en 2022 à 27 milliards de dollars en 2027, avec un taux de croissance annuel composé (tca) de 5,7%.

Actuellement, la La productionde β-carotène repose principalement sur l’extraction naturelle, la synthèse chimique Et etla synthèse microbienne [3]. L’extraction naturelle consiste généralement à extraire des caroténoïdes des plantes, des légumes Et etdes algues, avec des processus de purification difficiles Et etde faibles rendements. La synthèse chimique est confrontée à des problèmes tels que les réactions en plusieurs étapes, les procédés non respectueux de l’environnement Et etla La productionde sous-produits Et etde substances nocives. La synthèse microbienne offre des avantages tels que le rendement élevé du produit, l’absence de formation de sous-produits, de faibles coûts de production, des conditions de La productiondouces, des exigences de main-d’œuvre réduites Et etdes procédés respectueux de l’environnement. Ainsi, la construction d’usines cellulaires microbiennes pour la synthèse hétérologue du β-carotène a de plus en plus attiré l’attention des chercheurs.

En raison de ses nombreuses fonctions biologiques, la demande du marché pour le β-carotène augmente rapidement, nécessitant le développement de nouvelles plateformes de La productionbiotechnologiques. La recherche sur la synthèse du β-carotène à l’aide de la biologie synthétique a fait des progrès significatifs, tels que des stratégies innovantes d’ingénierie métabolique, l’optimisation des conditions de fermentation Et etla diversification de la sélection des cellules de châssis, qui ont considérablement augmenté le rendement de β-carotène. Cependant, en raison des limites de la biotechnologie, il existe encore un fossé considérable avant que la La productionà l’échelle industrielle puisse être réalisée. Par conséquent, cEt etarticle passe en revue les propriétés physico-chimiques, les voies de biosynthèse Et etl’état actuel de la recherche sur le β-carotène, résume systématiquement les stratégies d’ingénierie métabolique pour synthétiser le β-carotène, Et etidentifie les défIl estEt etles orientations de recherche futures pour la La productionde β-carotène à l’aide de technologies de biologie synthétique. Cette étude vise à fournir une référence pour la construction d’usines cellulaires microbiennes pour le β-carotène et d’autres produits naturels.

1 propriétés et fonctions physiques et chimiques

Le β-carotène est un composé d’isoprénoïde, un caroténoïde liposoluble trouvé dans les plantes et les micro-organismes, avec la formule chimique C40H56, avec un poids moléculaire de 536,88 et un point de fusion d’environ 178°C. Le β-carotène est un composé tétraptérone composé de huit unités d’isoprène et de deux anneaux de β-caroténoïde, avec sa molécule composée entièrement d’atomes de carbone et d’hydrogène, et la structure centrale contenant 40 atomes de carbone.

Dans la nature, la majeure partie du β-carotène existe sous la forme all-trans, avec une faible proportion dans la structure cis, comme le montre la Figure 1. Le β-carotène présente une lipophicité et une hydrophobicité élevée en raison de ses doubles liaisons conjuguées et de sa symétrie centrale [4]. Le β-carotène a des solubilités différentes dans divers solvants, étant facilement soluble dans les solvants organiques tels que le chloroforme et l’acétone, mais insoluble dans l’eau. Cette substance est instable à la lumière et à la chaleur, sujette à la décomposition et doit être entreposée à basse température à l’abri de la lumière [5]. Lors de l’extraction du β-carotène, des antioxydants tels que la vitamine C Cou le 2,6-di-tert-butyl-p-crésol sont souvent ajoutés pour prévenir l’oxydation et la décomposition, améliorant ainsi Stabilité.

Le β-carotène a de multiples effets préventifs et thérapeutiques sur les maladies et est bénéfique pour la santé humaine. Tout d’abord, le β-carotène a un effet préventif contre le cancer. La recherche a montré qu’il existe une association significative entre la consommation de β-carotène et le risque de cancer du poumon, ce qui signifie qu’un apport plus élevé de β-carotène aide à réduire le risque de cancer du poumon [6]. Deuxièmement, le β-carotène a également pour fonction de prévenir les maladies cardiovasculaires en inhibant la capacité des macrophages à modifier par oxydation les lipoprotéines de basse densité, réduisant ainsi le risque d’athérosclérose et diminuant l’incidence des maladies cardiovasculaires et des décès connexes [7].

Il convient de noter que le bêta-carotène, en tant qu’antioxydant puissant, peut éliminer les radicaux libres d’oxygène dans le corps humadanset possède une capacité d’éteindre l’oxygène singlet très efficace. En outre, en tant que composé de provitamine a, le β-carotène est une source importante de vitamine a, jouant un rôle crucial dans la différenciation cellulaire, le développement embryonnaire, et la prévention de la maladie de l’œil sec. Il contribue également à renforcer le système immunitaire et à renforcer la résistance aux infections [8]. Les avantages potentiels du β-carotène pour la santé continuent d’être explorés, et le développement et l’utilisation d’aliments fonctionnels riches en β-carotène sont de plus en plus répandus [9]. Par conséquent, le développement d’usines cellulaires microbiennes pour la synthèse efficace du β-carotène par des méthodes biotechnologiques a une application importante sur le marché. Valeur.

2 voie de biosynthèse β-carotène

Les caroténoïdes sont des composés tétraptéroïdes avec un squelette d’isopentenyl diphosphate (ppi). La biosynthèse du β-carotène fait partie de la voie de biosynthèse des caroténoïdes. L’ipp et le diphosphate de diméthylallyle (DMAPP) sont les unités structurelles initiales pour la synthèse du lycopène, du β-carotène et d’autres caroténoïdes [10]. La synthèse de l’ipp et du DMAPP se fait principalement par deux voies: la voie de l’isoprénylation et la voie de l’isoprényl-diphosphate (IDP). DMAPP) sont les unités structurelles initiales pour la synthèse du lycopène, du β-carotène et d’autres caroténoïdes [10]. La synthèse de l’ipp et du DMAPP provient principalement de deux voies: la voie de l’acide mévalonique (MVA) dans le cytoplasme et la voie du phosphate méthyléthritol (MEP) dans les plastides. La voie de biosynthèse du β-carotène peut être largement divisée en composants en amont et en avAl., et al.La voie de biosynthèse en amont implique l’utilisation des voies MVA AAAet MEP pour obtenir le précurseur à cinq carbone IPP,formant le module de biosynthèse IPP. La voie en aval implique la conversion du précurseur à cinq carotènes en β-carotène, formant le module de biosynthèse β-carotène (Figure 2).

2.1 Module de biosynthèse IPP

La voie MVA est présente chez la plupart des eucaryotes, des archées et des plantes supérieures. Il utilise l’acétyle CoA produit par la glycolyse comme substrat initiAl., et al.Deux molécules d’acétylcoa sont transformées en acétyl-coa (acétoacétyl-coa) par l’acétyl-coa thiolase (AACT), puis l’acétyl-coa est réduite en AACoA par l’acétyl-coa réductase (ACAR). L’aacoa est ensuite oxydé en acétyl-coa par l’acétyl-coa oxydase (ACO), et le produit final est le MVA. AACoA), qui est ensuite condensée par l’hydroxyméthylglutaryl-coa synthase (HMGS) pour former la 3-hydroxy-3-méthylglutaryl-coa (HMG-CoA). Enfin, la HMG-CoA est réduite en MVA par l’hydroxyméthylglutaryl-coa réductase (HMGR), une réaction irréversible qui constitue la principale étape limitant le taux de la voie MVA [11]. Par la suite, sous catalyse séquentielle de multiples enzymes, le MVA est converti en IPP par phosphorylation et décarboxylation. La ppi peut être isomérisée en DMAPP par isomérase d’isopentenyl diphosphate (IDI).

La voie MEP, présente dans de nombreuses bactéries, algues et plantes, utilise le pyruvate et le glycérol-3-phosphate comme substrats. Sous la catalyse de 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase (DXS), DXS) pour former DXP. Ensuite, la 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate réductoisomérase (DXR) convertit la DXP en MEP, qui est ensuite convertie en IPP et en DMAPP par de multiples enzymes. Le DXS et l’idi sont considérés comme les enzymes limitant le taux dans la voie d’isopentenylation. Augmenter l’activité de ces enzymes peut augmenter le rendement en β-carotène [12]. En plus de la synthèse des caroténoïdes, l’ipp et le DMAPP sont également des précurseurs de la synthèse de nombreux médicaments importants, tels que l’artémisinine, l’acide oléanolique et le squalène.

2.2 Module de biosynthèse β-carotène

Dans le module de biosynthèse du β-carotène, l’ipp subit la condensation et la cyclisation sous la biocatalyse d’une série d’enzymes pour former du β-carotène. La synthèse du β-carotène se produit principalement dans les chloroplastes d’algues ou le cytoplasme de micro-organismes. Plus précisément, les molécules IPP et DMAPP produites par les voies MVA et MEP subissent des réactions enzymatiques consécutives pour se condenser et former séquentiellement le pyrophosphate de géranyle (GPP), le pyrophosphate de farnesyl (FPP) et le pyrophosphate de géranylgéranyle (GGPP). FPP), et le pyrophosphate de géranylgéranyl (GGPP).

Deux molécules de GGPP sont d’abord converties en phytoène par la phytoène synthase (CrtB), puis ensuite converties en lycopène par la phytoène dénaturase (CrtI). Le lycopène formé peut être cyclisé en β-carotène sous la catalyse du lycopène β-cyclase (CrtY), ou servir de précurseur pour la synthèse d’autres caroténoïdes. Dans des études, le CrtYB Bs’est avéré être une enzymebifonctionnelle capable à la fois de convertir le GGPP en octahydrolycopène et de cycliser le lycopène en β-carotène [13]. Le CarRP de Mucor circinelloides est également une protéine avec deux activités enzymatiques distinctes, présentant simultanément l’activité catalytique de l’octahydrolycopène synthase et du lycopène cyclase [14]. En outre, IWASAKA a découvert une enzyme trifonctionnelle, le CrtIBY, dans la souche KH105 d’aurantiochytrium sp., qui peut directement convertir le GGPP en β-carotène [15].

3 avancées récentes dans la synthèse microbienne du β-carotène

En raison de la valeur commerciale potentielle du β-carotène, la construction d’usines de cellules microbiennes pour la La productionde β-carotène a suscité une attention croissante. En utilisant des techniques de biologie moléculaire, plusieurs gènes clés de la voie de synthèse du β-carotène ont été surexpressé, augmentant significativement l’l’accumulationde β-carotène dans les bactéries, la levure, et les algues. Actuellement, les principaux microorganismes du châssis utilisés pour la production de β-carotène comprennent entre autres Escherichia coli, SaccharomycesLes cerevisiaeet Lipolytikus brevis, certains obtenant des rendements considérables. Les stratégies de modification spécifiques et les rendements sont énumérés dans le tableau 1.

Escherichia coli est un micro-organisme modèle largement utilisé. En raison de son contexte génétique clair, de sa manipulation génétique simple et de son taux de croissance rapide, Escherichia coli est progressivement devenue l’une des cellules châssis les plus couramment utilisées pour construire des usines cellulaires microbiennes, ce qui en fait une cellule hôte idéale. Dai et Al., et al.ont utilisé une bibliothèque RBS pour réguler l’expression des gènes clés DXS,idi et CRT TTdans la voie de synthèse du β-carotène, augmentant ainsi la production de β-carotène. La régulation combinée des gènes operon CRT, T,T,T,DXS et idi a entraîné une augmentation de 35% de la production de β-carotène [16]. Le précurseur du pentose IPP et les cofacteurs sont deux facteurs importants dans la production de terpénoïdes. Par conséquent, en surexprimant l’enzyme DXS limitant le taux dans la voie MEP chez Escherichia coli pour augmenter le Flux fluxde carbone de la ppi, le rendement en caroténoïdes a augmenté de 3,5 fois [17].

Zhao et Al., et al.ont intégré les gènes de synthèse du β-carotène de Pantoea agglomérans dans le génome Escherichia coli, puis ont conçu des modules métabolique centraux pour augmenter l’approvisionnement en précurseurs (IPP et DMAPP) et en cofacteurs (ATP et NADPH), améliorant ainsi la production de β-carotène, suivie de la fermentation par lots de fed-entraînant une production de β-carotène de 2,1 g/L [18]. La voie MVA présente un potentiel important pour la synthèse de composés isoprénoïdes. L’expression hétérologue de la voie MVA complète et des gènes de synthèse du β-carotène chez l’escherichia coli a augmenté la production de β-carotène à 465 mg/L [19]. Dans le cEn tant quede l’escherichia coli, Yang a simultanément surexpressé les voies MEP et MVA pour augmenter les concentrations intracellulaires d’ipp et de GPP, entraînant une augmentation significative de la production de β-carotène, avec un rendement final de fermentation de 3,2 g/L [20].

Boulangerie ' S la levure est largement reconnue comme une souche de levure sûre en raison de sa simplicité dans la manipulation génétique et de sa tolérance aux conditions de production, ce qui la rend largement utilisée dans la production industrielle comme hôte pour la synthèse de divers composés à forte valeur ajoutée. Although Saccharomyces Les cerevisiaedoes not naturally produce β-carotene, it does synthesise Le conseil des ministresimportant precursor compound carotene-1,2,3,4,5,6,7,8,8,9,10-decahydro-1,10-dihydroxy-10-methoxy-9,10-dihydro-1,10-dihydroxy-1,10-dihydroxy-1,10-dihydroxy-1,10-dihydroxy-1,10-dihydroxy-1,10-dihydroxy-1,10-dihydroxy-1,10-dihydroxy-1,10-dihydroxy-1,10-d

YAMANO et Al., et al.ont d’abord signalé la production hétérologue de β-carotène chez Saccharomyces cerevisiae. Ils ont obtenu la production de lycopène et de β-carotène en exprimant les gènes crtE, E,crtB, crtI et crtY de Pantoea ananatis; Cependant, le rendement était très faible, à seulement 103 μg/g [21]. Pour augmenter davantage le rendement en β-carotène, VERWAAL et Al., et al.ont régulé l’expression de gènes clés et ont établi une usine cellulaire β-carotène chez Saccharomyces cerevisiae. Ils ont surexpressé la GGPP synthase et le tHMG1, et les Saccharomyces cerevisiae recombinantes ont finalement produit 5,9 mg/g de β-carotène [22]. Le maintien de l’équilibre du flux métabolique et de l’expression génique contrôlable pendant la biosynthèse sont essentiels à la production efficace de produits chimiques à forte valeur ajoutée. Xie et Al., et al.ont pris la FPP, un intermédiaire métabolique clé dans la voie de biosynthèse du β-carotène, comme noeud pour la régulation ordonnées, l’ajustement du flux en aval, l’amélioration de l’approvisionnement en précurseurs et l’inhibitation des voies concurrentielles, pour atteindre une production de β-carotène de 376 mg/L par fermentation [23].

Fan et Al., et al.ont combiné plusieurs stratégies métaboliques pour optimiser la voie du métabolisme du carbone, améliorer l’approvisionnement en précurseur acétylcoa, affaiblir la voie de synthèse de l’ergostérol et augmenter la capacité de stockage du β-carotène. Ils ont également optimisé le système GAL induit par les ions cuivre pour améliorer la biomasse de Saccharomyces cerevisiae. Après de multiples modifications de la stratégie, le titre de β-carotène a atteint environ 166 mg/L,soit cinq fois plus que celui de la souche parentale avant la modification [24].

La levure lipolytiquement modifiée est un champignon non modèle prometteur qui ne peut synthétiser naturellement le β-carotène, mais peut produire de grandes quantités de précurseurs de l’acétylcoa et accumuler une importante teneur en lipides. Puisque le β-carotène est un composé lipophile, la levure lipolytiquement modifiée peut servir comme un excellent hôte pour la surproduction de β-carotène. Actuellement, divers outils de manipulation génétique ont été développés et utilisés, et un nombre croissant de chercheurs effectuent des modifications techniques. Jing et Al., et al.ont d’abord surexpressé des gènes exogènes dans la levure de Lipolytococcus, ont construit une voie de biosynthèse du β-carotène, et ont éliminé les étapes limitant le taux dans la voie MVA par l’ingénierie métabolique. De plus, ils ont amélioré la capacité de synthèse des lipides de la souche modifiée et augmenté le nombre de copies de gènes clés dans la voie de biosynthèse, obtenant ainsi une souche modifiée capable de synthétiser efficacement le β-carotène. La fermentation par lots a donné 2,7 g/L de β-carotène. Les résultats indiquent que l’augmentation des lipides intracellulaires favorise la synthèse du β-carotène, et l’expression de multiples copies de gènes clés est une stratégie importante pour améliorer le flux métabolique [25].

Gao a utilisé un promoteur fort et a surexprimé la voie de biosynthèse du β-carotène, ce qui a donné des rendements du β-carotène plus de 100 fois supérieurs à ceux de la souche sauvage. En utilisant un milieu optimisé pour la fermentation par lots, 4 g/L de β-carotène ont été obtenus. Cette étude indique que la Lipolysichlorella est un hôte idéal pour la synthèse hétérologue du β-carotène [26]. LARROUDE a combiné des stratégies d’ingénierie métabolique traditionnelles avec de nouveaux outils de biologie synthétique pour améliorer la synthèse des lipides et le nombre de copies de gènes, eta utilisé des promoteurs optimums pour augmenter le flux métabolique vers la voie MVA, A,A,améliorant significativement le rendement de β-carotène. La fermentation par lots a donné une production totale de β-carotène de 6,5 g/L [27]. L’intégration de stratégies d’ingénierie métabolique aux procédés de fermentation par lots d’alimentation fournit une nouvelle approche pour la synthèse des caroténoïdes et autres terpénoïdes à l’aide de levures dégradantes de lipases.

4 stratégies d’optimisation

Grâce à l’innovation et au développement continus de la biotechnologie, le β-carotène peut être rapidement et commodément synthétisé de façon hétérologue dans des micro-organismes tels que les levures Lipolytikus et Escherichia coli grâce à l’ingénierie métabolique et aux technologies de biologie synthétique, conduisant à des percées continues dans la production de β-carotène. Pour explorer davantage les méthodes permettant d’améliorer la production de β-carotène et d’obtenir des avantages économiques plus élevés, des stratégies d’ingénierie métabolique novatrices sont encore nécessaires. À l’heure actuelle, plusieurs stratégies ont été identifiées pour améliorer la production de β-carotène, principalement en mettant l’accent sur l’approvisionnement en NADPH et en ATP, l’approvisionnement en précurseurs acétylcoa, la suppression des voies concurrentielles, la compartimentalisation cellulaire et l’amélioration de la synthèse des lipides (Figure 3).

4.1 approvisionnement en NADPH et ATP

L’atp et le NADPH sont deux cofacteurs importants pour la production de terpénoïdes. Les niveaux de ces cofacteurs dans les cellules déterminent le flux métabolique, car ils participent aux réactions enzymatiques et régulent les états d’équilibre chimique. Par conséquent, la régulation des niveaux de cofacteurs intracellulaires peut augmenter le flux métabolique vers la synthèse du β-carotène. NADPH est le principal fournisseur d’équivalents réducteurs requis pour le métabolisme biosynthétique et un facteur réducteur essentiel protégeant les cellules du stress oxydatif. De plus, le NADPH a été signalé comme le principal facteur limitant le taux de synthèse des lipides dans les levures qui dégradent les lipides [38].

L’atp joue un rôle crucial dans la biosynthèse, la régulation métabolique et le maintien de la croissance cellulaire. La régulation de l’approvisionnement en ATP dans les cellules peut réguler efficacement le métabolisme cellulaire [39]. Les voies MVA et MEP nécessitent plus de 17 réactions enzymatiques et la régénération de coenzymes. La synthèse d’une molécule d’ipp par la voie MVA consomme deux molécules de NADPH et trois molécules d’atp, tandis que la voie MEP nécessite trois molécules de NADPH et deux molécules d’atp [40]. Par exemple, dans la levure, la réduction de HMG-CoA en méthylèneglycolate par HMGR nécessite le NADPH comme cofacteur [41].

Par conséquent, certains chercheurs ont tenté d’améliorer le rendement en β-carotène en augmentant l’apport en NADPH. Zhao et Al., et al.ont construit une voie de synthèse du β-carotène chez E. coli et ont conçu un module métabolique central pour augmenter l’approvisionnement en ATP et en NADPH,afdansd’améliorer la production de β-carotène. Après avoir régulé les gènes impliqués dans la synthèse de l’atp, la voie du pentose phosphate et le cycle de l’acide tricarboxylique, la production de β-carotène a augmenté de 21%, 17% et 39%, respectivement. L’optimisation combinée des modules TCA et PPP a montré un effet synergique sur la production de β-carotène, résultant en une augmentation de 64% du rendement de β-carotène [18].

Liu et Al., et al.ont étudié les sources potentielles de NADPH chez Saccharomyces cerevisiae. En plus de la voie du pentose phosphate, qui fournit du NADPH au cytoplasme, le cycle du mannitol, l’acidase malique, l’aldéhyde déshydrogénase et la glutamate déshydrogénase participent tous à la génération du NADPH cytoplasmique chez Saccharomyces cerevisiae, qui est utilisé pour la biosynthèse des lipides [42]. Dans la voie de biosynthèse des caroténoïdes, le précurseur du β-carotène est le lycopène. Dans Sun et al.' S étude, en régulant l’expression des gènes codant α-kétoglutarate déshydrogénase, succinate déshydrogénase et aldolase B dans le module métabolique central, l’apport en NADPH et en ATP ont été augmentés, entraînant une augmentation de 76% de la production de lycopène, ce qui pourrait fournir des informations pour la biosynthèse du β-carotène [43].

4.2 augmentation de l’offre de précurseur acétyl CoA

La levure Lipolysable est un hôte idéal pour la synthèse des caroténoïdes, avec un flux d’acétyle CoA intracellulaire élevé, qui sert de matière première pour la voie MVA. Un approvisionnement adéquat en acétylcoa est crucial pour la synthèse des composés terpénoïdes. L’augmentation de l’approvisionnement en acétylcoa intracellulaire facilite la synthèse du β-carotène améliorée. La plus grande partie de l’acétyl-coa dans le cytoplasme est produite par l’atp citrate lyase (ACL) à partir de l’atp, qui est ensuite clivée par le citrate des mitochondries en oxaloacétate et acétyl-coa [44].

Pour maintenir des niveaux élevés d’acétyl-coa dans le cytoplasme, le citrate doit s’écouler continuellement hors des mitochondries pour l’hydrolyse. Zhang et Al., et al.ont surexcité l’ampd dans les Saccharomyces cerevisiae, inhibant l’activité de l’isocitrate déshydrogénase, augmentant ainsi les niveaux de citrate et d’acétyl-coa [45]. Fan et Al., et al.ont étudié l’effet de l’approvisionnement en acétyl-coa intracellulaire sur la production de β-carotène en créant une voie PK/PTA hétérologue, en améliorant la voie du pentose phosphate et en inhibant la voie glycolytique endogène chez Saccharomyces cerevisiae pour augmenter l’approvisionnement en acétyl-coa, obtenant finalement un rendement en β-carotène de 105,94 mg/L chez la souche fabriquée, ce qui représente une augmentation de 56% par rapport à la souche témodans[24]. Jdansa adopté une stratégie différente pour améliorer l’entrée de l’acétyl-coa dans la voie MVA en surexpression TGL3, PXA1, MFE1, POT1 et PEX10 pour améliorer l’oxydation β-acide gras, affaiblissant la voie de synthèse des lipides pour récupérer l’acétylcoa des lipides, augmentant ainsi le flux de carbone dans la voie de synthèse β-carotène [46].

4.3 augmentation de l’l’accumulationde lipides

Le β-carotène est un composé lipophile principalement stocké dans les membranes cellulaires et les gouttelettes lipidiques. Le A propos de nousa modifié la membrane cellulaire chez E. coli grâce à l’ingénierie des membranes pour améliorer sa capacité à stocker le β-carotène, tout en modifiant la morphologie de la membrane et les voies de synthèse des lipides ont montré des effets synergiques, entraînant une augmentation de 2,9 fois du rendement en β-carotène [28]. ZHAO auet Al., et al.ont tenté d’augmenter l’accumulation de β-carotène dans les Saccharomyces cerevisiae en utilisant l’ingénieriemétabolique pour améliorer la teneur en lipides, en concevant différentes voies de métabolisme des lipides dans les souches produisant du β-carotène, où la surexpression des stérol-acyltransférases ARE1 et ARE2 a augmenté la production de β-carotène par 1,5fois, et la suppression des phospholipases PAH1, DPP1 et LPP1 a double la production de β-carotène. La combinaison de ces deux stratégies a entraîné une augmentation de 2,4 fois la production de β-carotène par rapport à la souche originale [33].

La levure lipolytique est une levure naturelle produisant de l’huile, la rendant plus appropriée que la brasserie.#39; S pour la production de β-carotène hydrophobe. Cependant, puisque la synthèse des lipides et la synthèse du β-carotène nécessitent l’acétylcoa comme précurseur, il est nécessaire d’étudier comment équilibrer la distribution des flux entre ces deux voies synthétiques pour atteindre un état optimal pour augmenter davantage la production de β-carotène. LARROUDE et Al., et al.ont construit une souche de levure Saccharomyces produisant des lipides, capable de produire des lipides élevés et du β-carotène. Comparativement à la souche témoin, l’accumulation de lipides a augmenté de 3,6 fois, avec une production de β-carotène de 8,9 mg/g de DCW et de 35,7 mg/L,soit 2,61 fois et 1,93-fois plus que la souche témoin, respectivement [27].

4.4 dérégulation des parcours concurrentiels

Dans la voie de biosynthèse du β-carotène, la IPP et le DMAPP servent d’intermédiaires métaboliques majeurs, qui se condensent séquentiellement pour produire la GPP, la FPP et la GGPP. Sous la catalyse de diverses enzymes, ces intermédiaires génèrent en outre des monoterpènes, des sesquiterpènes, des diterpènes, des triterpènes et des tétraterpènes [47]. Pour rediriger le flux métabolique vers la synthèse du β-carotène, il est souvent nécessaire d’inhibir les voies concurrentielles, de supprimer les réactions secondaires, et d’améliorer le rendement du produit cible. La voie de synthèse de l’ergostérol est une voie concurrentielle pour la synthèse du β-carotène, mais l’ergostérol est un composant des membranes cellulaires, et son absence entraîne de graves défauts de croissance [48].

Pour maintenir une croissance cellulaire normale et augmenter le flux métabolique de β-carotène, KILDEGAARD Det Al., et al.ont dérégulé la biosynthèse de l’ergostérol dans la levure défectueuse de la lipase en trunquant le promoteur naturel ou en utilisant un promoteur faible. Le titre de β-carotène de la souche résultante a augmenté de 2 à 2,5 fois, le titre le plus élevé étant observé lorsque le promoteur a été abrégé à 50 bp, atteignant 797,1 mg/L [49]. Fan et al. ont introduit une séquence de ravageurs au N-terminus de la squalène synthase pour réduire la stabilité des protéines et affaiblir la synthèse de l’ergostérol. Les résultats ont montré que l’introduction de la séquence de ravageurs a redirigé le flux métabolique de la voie de synthèse de l’ergostérol vers la voie de synthèse du β-carotène, augmentant ainsi le rendement en β-carotène [24]. Cao a adopté une stratégie similaire pour affaiblir la biosynthèse de l’ergostérol en remplaçant son promoteur indigène par un promoteur faible HXT1 pour déréguler l’expression ERG9 [44].

4.5 stratégies de cloisonnement

Les stratégies de compartimentalisation peuvent également inhiber le transfert du flux métabolique vers des voies concurrentielles, servant de stratégie réglementaire efficace pour améliorer l’efficacité de la production des usines de cellules microbiennes [50]. La compartimentalisation se réfère à la division de différentes régions fonctionnelles au sedansd’une cellule en compartiments distincts, comprenant principalement les mitochondries, les peroxysomes, le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi [51]. Chaque compartiment cellulaire possède un environnement physico-chimique unique avec des métabolites, des enzymes et des cofacteurs distincts. L’utilisation de la compartimentalisation cellulaire peut favoriser la synthèse de composés terpénoïdes [52]. Les voies d’assemblage intracellulaires peuvent réduire l’interférence entre les voies endogènes et exogènes, augmenter la concentration de substrats et d’enzymes dans des espaces spécifiques, améliorant ainsi les taux de réaction et l’efficacité de production. De plus, ils peuvent limiter les intermédiaires métaboliques clés dans les compartiments, empêchant leur transfert vers les voies concurrentielles. Les mitochondries sont des Les organitessemi-autonomes. MATSUMOTO a tenté de localiser la voie de synthèse des caroténoïdes vers les mitochondries afdansd’améliorer la production de caroténoïdes chez Saccharomyces cerevisiae. Par rapport aux souches exprimant la voie de synthèse des caroténoïdes dans le cytoplasme, la production de caroténoïdes a augmenté de 13,82 fois en utilisant la synthèse compartimentée [53].

L’isoprène est un précurseur de la synthèse du β-carotène. Le Lv a combiné l’ingénierie mitochondriale avec l’ingénierie cytoplasmique pour utiliser l’acétyle CoA de manière globale. Comparativement aux souches recombinantes utilisant uniquement l’ingénierie mitochondriale ou cytoplasmique, les taux d’isoprène ont augmenté respectivement de 2,1 et 1,6 fois. Cette stratégie constitue une méthode efficace pour améliorer les niveaux d’isoprène dans la levure et peut également s’appliquer à la biosynthèse du β-carotène [54]. Le β-carotène et l’astaxanthine sont tous deux des caroténoïdes. Ma a localisé la voie de synthèse de l’astaxanthine vers les liposomes, le réticulum endoplasmique et le peroxysomes, respectivement. Par rapport à la voie cytosolique, la localisation de la voie de synthèse vers les organelles subcellulaires a considérablement augmenté le rendement, non seulement accélérant la conversion du β-carotène en astaxanthine, mais réduisant également de manière significative l’accumulation de intermédiaires. De plus, en localisant simultanément la voie de synthèse de l’astaxanthine vers le réticulum endoplasmique, les peroxysomes et le réticulum endoplasmique, le rendement d’astaxanthine le plus élevé de 858 mg/L a été atteint [55].

5 résumé et perspectives

Le β-carotène a été largement appliqué dans les industries alimentaires, de suppléments nutritionnels, pharmaceutiques et cosmétiques. Au cours des dernières années, sa demande sur le marché a continué de croître, ce qui rend la mise en place d’une méthode de production efficace, écologique et durable pour le β-carotène d’une importance cruciale. Avec le développement rapide de l’ingénierie métabolique et de la biologie synthétique, ainsi que la recherche continue et approfondie sur ses voies de biosynthèse, la construction d’usines cellulaires microbiennes pour la production de β-carotène est devenue l’une des méthodes de production les plus prometteuses. Cet article donne un aperçu de la méthode de synthèse du β-carotène à l’aide de micro-organismes, en se concentrant sur les derniers progrès de la recherche et en résumant les stratégies d’ingénierie métabolique couramment utilisées. Actuellement, les stratégies visant à augmenter la production de β-carotène comprennent principalement la fourniture de précurseurs acétylcoa, la fourniture de cofacteurs tels que l’atp et le NADPH,l’amélioration de l’accumulation de lipides, la dérégulation des voies concurrentielles, et des stratégies de compartimentalisation. L’optimisation des voies MVA et MEP est une méthode courante pour augmenter le flux de ppi. En plus des stratégies d’ingénierie métabolique susmentionnées, l’introduction de voies non indigènes pour améliorer l’approvisionnement en précurseurs pourrait avoir un impact significatif sur la production de β-carotène. Par exemple, en introduisant une voie artificielle d’utilisation de l’isopentenol (IUP) dans la levure appauvrie en lipases, les niveaux de IPP et de DMAPP ont été multipliés par 15,7, conduisant à une augmentation significative de la production de caroténoïdes [40]. Par conséquent, l’utilisation de micro-organismes pour la production de β-carotène présente un grEt en pluspotentiel pour le développement futur.

Bien que d’importants progrès de recherche aient été réalisés dans la biosynthèse du β-carotène, la construction d’usines de cellules microbiennes demeure un défi complexe et multifactoriel. En conséquence, la biosynthèse du β-carotène est toujours confrontée à de nombreux problèmes, et peu de microorganismes génétiquement modifiés peuvent atteindre une production à l’échelle industrielle. D’autres réformes et innovations dans les méthodes biotechnologiques sont nécessaires. Par exemple, les caractéristiques génétiques des microorganismes limitent leur application dans la production. Lors de la construction de voies de biosynthèse, alors que certains processus microbiens se concentrent sur l’intégration génomique, la plupart des microorganismes dépendent encore de l’expression plasmidique, ce qui nécessite souvent un usage intensif d’antibiotiques et augmente la charge métabolique. De plus, l’expression des plasmides est sujette à l’instabilité génétique. Par conséquent, des outils de manipulation génique plus efficaces et plus rapides sont nécessaires pour résoudre ce problème, comme le système d’édition de gènes CRISPR/Cas9. SCHWARTZ a développé un outil basé sur CRISPR/ cas9 pour le ciblage et l’intégration sans étiquetage des gènes cibles dans le génome de Lipolytococcus lactis [56].

Les Enzymes jouent un rôle crucial dans la construction d’usines cellulaires. Les Enzymes provenant de sources différentes peuvent présenter des niveaux d’expression variables lorsqu’elles sont exprimées de façon hétérologue chez l’hôte, ce qui nécessite une sélection rigoureuse des sources enzymatiques ou une modification enzymatique ciblée. Kang a utilisé l’assemblage RIAD-RIDD pour construire un complexe multi-enzymatique Idi-CrtE, reliant les voies métaboliques, augmentant considérablement le flux de caroténoïdes [57]. Le β-carotène est un produit intracellulaire qui nécessite une lyse cellulaire et une extraction par solvant organique pendant l’extraction. De plus, le β-carotène est extrêmement instable et sensible à la lumière et à la chaleur, sujette à la dégradation oxydative. Par conséquent, le choix de la méthode de rupture cellulaire influence de manière significative l’efficacité d’extraction du β-carotène, nécessitant une sélection minutieuse des méthodes d’extraction appropriées pour assurer sa stabilité. D’autres recherches sur les procédés d’extraction du β-carotène sont nécessaires. Relever ces défis pourrait accélérer l’application industrielle du β-carotène et fournir des informations pour la production d’autres caroténoïdes.

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