Etude sur la synthèse de l’astaxanthine par Fermentation microbienne

L’astaxanthine est un caroténoïde de type céto-rouge orangé avec lA AAAaformule moléculaire C40H52O4 Et etle nom chimique 3,3' dihydroxy-4,4' -dione-bêta, bêtA a' -carotène [1-2]. L’astaxanthine est insoluble dans l’eau, liposoluble, soluble dans les solvants organiques tels que le benzène, le chloroforme, l’acétone Et etle disulfure de carbone, Et etlégèrement soluble dans les solvants organiques polaires tels que le méthanol Et etl’éthanol [3]. L’astaxanthine est un tétraterpénoïde composé de huit unités d’isoprène liées par de doubles liaisons conjuguées, avec des groupes hydroxyle Et etcétone insaturés aux extrémités des doubles liaisons conjuguées [4]. Par conséquent, l’astaxanthine existe dans différentes conformations (Figure 1), y compris:#39;S), dextrorotatif (3R,3'R) Et etracémique (3S,3'R) [5]. Parmi eux, les (3S,3&#L’isomère 39;S) est lA aconFormatiSur ledes formateursd’astaxanthine lA aplus courante dans lA anature Et etaussi celle ayant l’activité antioxydante lA aplus élevée, suivie par la (3R,3'R) Et et(3S,3'R) conformations [6].

L’astaxanthine a une valeur d’applicationtrès élevée. Sa longue chaîne conjuguée de polyène peut éteigner l’oxygène singlet, récupérer les radicaux libres, améliorer l’activité cellulaire, Et etprotéger les lipides du corps humain, améliorant ainsi l’immunité Et etanti-âge dans une certaine mesure. Certaines études ont montré que l’astaxanthine et#39; L Llla capacité antioxydante est 6.000 foIl estcelle de la vitamine C,ce qui en fait l’antioxydant le plus fort rapporté dans nature [7-9]. En même temps, il peut prévenir la plupart du stress oxydatif Et etde l’inflammatiSur leassociée, y compris l’hypertension, le cancer, l’obésité, les maladies cardiovasculaires, les maladies inflammatoires, les maladies osseuses, les maladies de la peau, etc., de sorte qu’il peut être utilisé comme une préparation de médicament multi-cibles [10]. Par exemple, Lignell Et etcoll. [11] ont montré que les médicaments contenant de l’astaxanthine administrés par voie orale peuvent améliorer considérablement la force musculaire Et etl’endurance à l’exercice.

L’astaxanthine est également un colorant naturel qui existe en différentes espèces dans différentes configurations, donnant au corps une couleur unique. La couleur rouge de la viande de saumon est souvent un plaisir visuel qui permEt etde juger facilement de la fraîcheur Et etde la saveur de la nourriture. En outre, l’astaxanthine peut également être utilisée comme additif dans l’alimentation des volailles. Des études ont montré que l’ajout de 10 mg/kg d’astaxanthine naturelle à l’alimentation peut effectivement la déposer dans la viande des canards, donnant ainsi aux becs Et etaux pieds des canards vivants une couleur dorée saine. Il peut également améliorer la stabilité oxydative des lipides musculaires Et etles rendre plus nutritifs [12].

L’astaxanthine joue également un rôle protecteur dans les plantes environnementales. Par exemple, les pulvérisations d’astaxanthine peuvent augmenter la photosynthèse des feuilles de raisin, améliorer leur résistance au stress, Et etchanger leur couleur. En conséquence, l’astaxanthine est actuellement utilisée dans un nombre croissant d’applicationsdans les domaines de la médecine, des cosmétiques, de l’alimentation humaine, des additifs pour aliments pour animaux, des produsonde santé, de l’agriculture, etc. (Figure 2) [13-14]. Le marché mondial des caroténoïdes était évalué à 1,5 milliard de dollars UL len 2017 Et etdevrait atteindre 2 milliards de dollars UL ld’ici 2022 [15]. La valeur marchande mondiale de l’astaxanthine, le deuxième caroténoïde en importance, devrait atteindre près de 3,4 milliards de dollars américains d’ici 2027 [16].

Actuellement, les principales méthodes de La productionde l’astaxanthine comprennent l’extractionnaturelle, la synthèse chimique Et etla La fermentationmicrobienne. L’extraction naturelle consiste à extraire de l’astaxanthine des déchets de homard, de crabe Et etd’autres crustacés, mais le rendement est extrêmement faible, le processus est complexe Et etcoûteux, Et etle processus d’extraction est susceptible de contamination, ce qui le rend économiquement non viA pu[17-18]. La méthode de synthèse chimique a un cycle de La productionlong Et etun processus complexe [19]. Le produit de synthèse est un mélange d’astaxanthine dans diverses configurations Et etl’l’accumulationde divers sous-produson[20]. Le taux d’absorption Et etd’utilisation dans les organismes vivants est inférieur à celui de l’astaxanthine extraite naturellement, de sorte qu’il n’est pEn tant queapprouvé pour l’usage humadans[19].

Avec le développement continu de la technologie de la biologie synthétique, l’utilisation de la fermentation microbienne pour produire des produits naturels a montré un grEt en pluspotentiel [21-23]. L’astaxanthine produite à partir de micro-organismes présente les avantages d’une configuration claire, respectueuse de l’environnement et ayant peu de sous-produits [16]. Il s’agit donc d’une méthode très prometteuse de La productiond’astaxanthine [18, 24].

Les microorganismes actuellement utilisés pour la synthèse fermentatifde l’astaxanthine comprennent les algues, les bactéries, la levure, etc. [25]. Cet article traite des derniers progrès réalisés dans la La productiond’astaxanthine par hématocoquepluvialis, Escherichiacoli, Xanthophyllomycesdendrorhous, Yarrowialipolytiqueet d’autres microorganismes, et résume les stratégies de dépistage et d’ingénierie métabolique des souches productrices d’astaxanthine afdansd’augmenter la La productiond’astaxanthine et de réduire les coûts. Yarrowialipolytiqueet d’autres microorganismes pour produire l’astaxanthine, les derniers développements sont discutés, et les stratégies de sélection et d’ingénierie métabolique des souches produisant l’astaxanthine pour augmenter la production d’astaxanthine et réduire les coûts sont résumées.

1 la voie de biosynthèse de l’astaxanthine

La biosynthèse de l’astaxanthine peut généralement être divisée en trois étapes [10]:

La première étape est le métabolisme central du carbone, au cours duquel les organismes utilisent le glucose et d’autres sources de carbone pour générer du pyruvate et de l’acyl-coa par la voie Embden-Meyerhof-ParnEn tant que(EMP). Ceux-ci sont utilisés comme précurseurs pour la synthèse des terpènes les substances sont transportées vers la voie du mévalonate (MVA) et la voie du phosphate de méthylerythritol (MEP) comme précurseurs de la synthèse du terpène.

MV VA et MEP PPsont la deuxième étape de laVoie de synthèse de l’astaxanthineLa voie MVA fournit non seulement les précurseurs nécessaires à la synthèse du terpène, mais aussi les précurseurs des substances essentielles à la croissance cellulaire. Il commence à partir de l’acétyle coenzymeA, A,A,A,A,le pyrophosphate d’isopentenyl (IPP) est produit dans une réaction enzymatique de six étapes, et l’isomérase de diphosphate d’isopentenyl (I IDI) isomérise IPP au diméthylallylpyrophosphate (DMAPP), et enfdansutilise IPP et DMAPP comme précurseurs pour synthétiser les précurseurs des terpénoïdes. La voie N ° de catalogueEP est une autre voie d’approvisionnement pour la synthèse des précurseurs des terpénoïdes naturels, et est largement présente dans les bactéries, les champignons, les plantes et les algues. Cette voie commence par le pyruvate, et le DMAPP est produit en sept réactions enzymatiques. Le DMAPP est ensuite isomérisé en IPP par l’idi, et enfdansle IPP et le DMAPP sont utilisés comme précurseurs pour synthétiser les précurseurs terpénoïdes.

La troisième étape est l’étape de synthèse de l’astaxanthine, au cours de laquelle l’ipp et le DMAPP sont converti en géranylgéranyl pyrophosphate (GPP) par l’action de l’enzymefarnesyl diphosphate synthase (ispA). Le GP P continue d’être produit par l’ispa. Le pyrophosphate de farnesyle (FPP) est produit par le pyrophosphate de farnesyle synthase (CrtE), et le diphosphate de géranylgéranyl (GGPP) est produit par le diphosphate de géranylgéranyl synthase (CrtE).) ....... La GGPP est convertie en lycopène par l’action de l’octahydro-lycopène synthase/cyclase (phytoène synthase, lycopène cyclase) CrtYB BBet de l’octahydro-lycopène dénaturase (phytoène dénaturase) CrtI. Le lycopène est converti en β-carotène par l’action du CrtYB.

La différence structurelle entre β- la différence structurelle entre le β-carotène et l’astaxanthine réside dans les groupes hydroxyle et carbonyle sur les anneaux aux extrémités des chaînes carbonées. Par conséquent, le processus de conversion du β-carotène en astaxanthine est un processus d’addition des groupes hydroxyle et carbonyle aux extrémités de l’anneau de molécule de β-carotène. Cependant, les voies de synthèse dans différents organismes peuvent différer. Par exemple, chez Pantoea, l’astaxanthine est synthétisée principalement par la β-caroténoïde kétotolase (CrtW) et la β-carotène l’hydroxylase(CrtZ); Dans Haematococcus pluvialis, l’astaxanthine est synthétisée principalement par la β-caroténoïde kétolase (BKT) et la β-carotène hydroxylase (CrtR); Dans la fraction rouge de levure, l’astaxanthine est synthétisée principalement par Cr tR RRRRRRet CRT.Dans certaines autres levures artificielles, l’astaxanthine est également synthétisée en exprimant la β-carotène kétolase et la β-carotène hydroxylase. Tagetes erecta est actuellement la seule plante qui peut produire de l’astaxanthine, qui est synthétisée en exprimant le caroténoïde 4-hydroxy-β

2 cellules de châssis de synthèse d’astaxanthine

À l’heure actuelle, la régulation du processus de fermentation et l’ingénierie métabolique pour modifier la souche sont encore des stratégies couramment utilisées pour améliorer la synthèse de l’astaxanthine microbienne. Par exemple: ① améliorer la production d’astaxanthine microbienne en optimisant les conditions de fermentation; ② améliorer l’approvisionnement en précurseurs en renforçant les voies métaboliques MVA et MEP; ③ dépistage de l’Expression:de gènes clés provenant de différentes sources;

④ ingénierie modulaire pour relier des gènes d’Expression:et augmenter leur nombre de copie;

⑤ localisez différents Les organitessubcellulaires, etc.

2.1 algues

De nombreuses algues dans la nature peuvent produire de l’astaxanthine, comme Haematococcus pluvialis, Chlamydomonas, Acetabularia, Euglena, etc. [26]. Haematococcus Pluvialis:est une algue verte unicellulaire d’eau douce qui peut atteindre 5% de teneur en astaxanthine du poids sec cellulaire. C’est l’algue principale pour la production d’astaxanthine, et l’astaxanthine produite par Haematococcus Pluvialis:est le levo le plus riche en antioxydants (3S,3'S) configuration [27]. Cependant, Haematococcus pluvialis a un cycle de croissance long, des besoins de culture élevés, a besodansde lumière, et l’astaxanthine se trouve dans les spores à paroi épaisse, qui ont un faible taux d’extraction, un coût élevé, et une mauvaise continuité [19,28].

Le coût élevé de la production d’astaxanthine par Haematococcus pluvialis limite son application à grande échelle. Il est donc urgent de développer de nouveaux procédés pour obtenir une application commerciale en réduisant les coûts de production et en augmentant la teneur en astaxanthine chez Haematococcus pluvialis. La croissance d’haematococcus pluvialis nécessite de la lumière, mais en raison de la distribution inégale de l’intensité lumineuse et du mélange à l’intérieur du photobioréacteur, les algues seront affectées par le cycle lumière et obscurité, ce qui affectera la biomasse et la production de métabolites secondaires. Ranjbar et Al., et al.[29] [en]ont conçu un photobioréacteur pneumatique qui, par rapport à un bioréacteur traditionnel, présente un schéma d’écoulement plus régulier pour la circulation des liquides, ce qui se traduit par un cycle plus stable entre la lumière et l’noir, un mélange liquide plus uniforme, une production accrue de métabolites secondaires et une augmentation significative de la production d’astaxanthine chez Haematococcus pluvialis.

En plus des stratégies ci-dessus, l’ajout de certaines substances exogènes est également un moyen réalisable d’augmenter la production d’astaxanthine. Wang et Al., et al.[30] [en]ont constaté que l’ajout de rac-GR24 (un analogue synthétique d’hormone végétale) peut effectivement augmenter la biomasse produite par Haematococcus pluvialis et l’accumulation d’astaxanthine. Rac-GR24 peut augmenter la photosynthèse dans les plantes et augmenter le taux d’utilisation du CO2 dans la synthèse des glucides, augmentant ainsi l’accumulation de biomasse. Il favorise également la surproduction de NADPH HHHet de peroxydase, réduisant ainsi les dommages causés par les espèces réactives d’oxygène. De plus, le traitement rac-GR24 d’haematococcus pluvialis modifie également l’activité de la biosynthèse des acides gras et la voie d’estérification de l’astaxanthine, augmentant ainsi l’accumulation de l’astaxanthine.

L’extraction de l’astaxanthine des algues est le plus grEt en plusdéfi car les parois cellulaires dures et épaisses des algues augmentent la résistance mécanique et chimique des cellules. Les méthodes traditionnelles d’extraction ne conviennent pas pour extraire l’astaxanthine des algues. Par conséquent, Huang Wencunet Al., et al.[31] [en]ont proposé une nouvelle méthode pour extraire l’astaxanthine d’haematococcus pluvialis à l’aide d’un solvant hydrophile changeable. Le diméthylamino cyclohexane (DMCHA) est un solvant hydrophile commutable à faible volatilité et solubilité. En l’utilisant, sans distillation, le taux d’extraction de l’astaxanthine d’haematococcus pluvialis peut atteindre 87,2% en ajoutant simplement de l’eau et du CO2 en même temps.

Haematococcus pluvialis est riche en astaxanthine naturelle, en acides gras insaturés, etc., et a une grande valeur de recherche et d’utilisation [32]. Dans le même temps, la demande d’astaxanthine naturelle sur les marchés nationaux et étrangers augmente, et son potentiel de développement est énorme. • la conversion des métabolites intermédiaires et la régulation de l’expression des Les enzymesclés impliquées dans la synthèse de l’astaxanthine par Haematococcus pluvialis doivent être explorées davantage; ② en raison de la structure complexe de la paroi cellulaire d’haematococcus pluvialis, le rendement d’extraction est faible, et de nouveaux procédés d’extraction doivent encore être développés à l’avenir pour réduire les coûts de production.

2.2 levure

Les principales levures naturelles qui produisent naturellement l’astaxanthine sont Rhodotorula rubra, Rhodotorula glutinis, R. :benthica et d’autres. Avec le développement de la biologie synthétique, la levure fabriquée à partir du génie génétique peut également produire de l’astaxanthine, comme Yarrowialipolytica, SaccharomycesLes cerevisiaeet Kluyveromycesmarxianus. Comparativement aux algues et autres microorganismes, la levure possède un Grande tailleéventail de sources de substrÀ propos depour la production d’astaxanthine, une croissance rapide, un cycle de fermentation court et des outils de modification génétique relativement matures. Ainsi, la levure est actuellement l’une des cellules de châssis les plus prometteuses pour la production industrielle d’astaxanthine.

2.2.1 levure de fife rouge

La levure rouge est considérée, avec Haematococcus pluvialis, comme le micro-organisme le plus approprié dans la nature pour la production industrielle d’astaxanthine [33-34]. Il peut fermenter et synthétiser l’astaxanthine en utilisant une variété de sucres comme sources de carbone [35], et ses cellules se développent rapidement, avec un cycle de croissance court, permettant une culture à haute densité et réduisant considérablement les coûts de production [34, 36]. L’astaxanthine produite en même temps est dans le (3R,3'R) configuration et est facilement absorbée par le corps humain. Par conséquent, Rhodotorula est devenue l’une des cellules de châssis idéales pour la synthèse de l’astaxanthine. Le tableau 1 montre les derniers progrès dans la production d’astaxanthine par Rhodotorula.

L’optimisation des conditions de fermentation est le moyen le plus simple et le plus direct d’augmenter la production d’astaxanthine. Parmi ces conditions, le pH a un effet à la fois sur la croissance des cellules de levure de Faction rouge et sur l’accumulation d’astaxanthine. Certaines études ont montré que le pH initial optimal pour la croissance des cellules de levure Red Faction est de 6,0, le pH optimal pour la formation d’astaxanthine est de 4,0, et le pH optimal pour l’accumulation d’astaxanthine est de 5,0 [37]. Par conséquent, en utilisant la stratégie de modulation du ph, la production d’astaxanthine de Rhodotorula glutinis a été augmentée de 24,1% par rapport à la fermentation à un ph constant. La voie de synthèse de l’astaxanthine est complexe et nécessite la participation d’une variété de substrats et de précurseurs. Par conséquent, l’ajout de certaines substances au cours du processus de fermentation peut également favoriser la biosynthèse de l’astaxanthine.

Par exemple, Yang Haoyi et Al., et al.[42] [traduction]ont utilisé de la levure rouge comme cellule de châssis et ont constaté que la dérégulation des voies de la purine, de la pyrimidine, de la synthèse des acides aminés et de la glycolyse contribuait toutes à:Biosynthèse d’astaxanthine, et la régulation supérieure de la voie de métabolisme des lipides a aidé à l’accumulation d’astaxanthine. L’ajout de protoporphyrine de sodium peut inhiber la voie métabolique des acides aminés et augmenter la production d’astaxanthine de 19,2 %; L’ajout de mélatonine peut favoriser le métabolisme des lipides et augmenter la production d’astaxanthine de 30,3%.

Grâce à l’analyse du flux métabolique, Ru Yi et Al., et al.[41] [traduction]ont constaté que l’éthanol peut augmenter la teneur en pyruvate et en acétyle coenzyme A dans le métabolisme des levure de Rhodaffia, ce qui augmente le flux vers la voie de synthèse de l’astaxanthine de 2,3 fois, favorisant ainsi la synthèse de l’astaxanthine. En même temps, les ganglions métaboliques de l’acide α-kétoglutarique et du 5-phosphoribosyl pyrophosphate dans la voie de synthèse de l’astaxanthine ont été régulés. On a constaté que l’addition de 0,5 g/L d’acide α-kétoglutrique au milieu de culture pouvait augmenter la croissance des cellules de levure de fife rouge de 0,4 g/L. :L’ajout de 3 g/L d’acide glutamique au milieu a augmenté la production d’astaxanthine à 67,9 mg/L,soit 1,7 fois le flux du groupe témoin.

Il est bien connu que la levure a de fortes capacités métaboliques et peut non seulement utiliser de petites molécules telles que les monosaccharides, les disaccharides, les polysaccharides et les acides organiques, mais aussi des sources d’azote simples et des mélanges organiques complexes. L’utilisation de substrats peu coûteux provenant de déchets industriels peut réduire efficacement le coût de la production d’astaxanthine, comme la La bagasseet la bagasse de sorgho doux (BSS). Zhuang Yuunet Al., et al.[38] [traduction]ont mené des études sur la souche de levure red fife à la température ambiante et à la mutagénèse aux rayons UV. La souche mutante obtenue après reproduction a été fermentée à 22 °C CCet 220 r/mdanspendant 96 h dans un hydrolysÀ propos dede bagasse de canne à sucre, et la concentration en caroténoïdes a atteint 88,57 mg/L. Après une nouvelle perturbation de la paroi cellulaire à l’aide des ultrasons et de la cellulase, le rendement en astaxanthine a atteint 96,01%. Stoklosa et Al., et al.[39] [traduction]ont utilisé la bagasse de sorgho doux comme source de carbone pour cultiver la levure de Rhodaff pour produire de l’astaxanthine. Cependant, comme les composés phénoliques présents dans la SSB inhibent la levure Rhodaff, l’inhibition de la levure rouge de maïs par la SSB a été allégée par le traitement de la SSB avec du charbon actif et de la laccase, et le poids sec cellulaire de la bactérie a finalement été augmenté de 15,6 g/L à 23,6 g/L,et la production d’astaxanthine a été augmentée de 9,55 mg/L à 48,9 mg/L.

En biologie synthétique, le moyen le plus courant d’augmenter le contenu des produits cibles est encore la mutation et l’ingénierie métabolique. Gassel et Al., et al.[40] [traduction]ont obtenu une déformation deLevure rouge à haute teneur en astaxanthinePar mutagénèse aléatoire. Sur cette base, le flux de synthèse de l’astaxanthine a été encore augmenté par l’expression du gène de lycopène cyclase crtYB et du gène de synthèse de l’astaxanthine ASY. Enfin, grâce à une expérience d’amplification en cuve de fermentation, la teneur maximale en astaxanthine a atteint 9,7 mg/g de DCW. Une autre étude a montré que la voie de synthèse de l’ergostérol peut rétroaction pour inhiber la voie MVA.Par conséquent, la suppression des gènes impliqués dans la synthèse de l’ergostérol est une stratégie efficace pour améliorer la production de terpène. YomamoÀ propos deet Al., et al.[43] [traduction]ont séquentiellement supprimé les deux gènes CYP61 codant pour la C-22 stérol-désaturase impliqués dans la biosynthèse de l’ergostérol, puis ont constaté par fermentation que la production d’astaxanthine de levure rouge recombinante Rhodotorula glutinis était augmentée de 1,4 fois.

Bien que la levure rouge soit l’une des cellules du châssis qui produisent naturellement l’astaxanthine, le rendement de la levure rouge de type sauvage est faible et elle est sujette à la dégradation, il y a donc encore quelques défis à réaliser la production industrielle à grande échelle. Par conséquent, la sélection de souches d’astaxanthine à haut rendement est devenue le principal objectif de la recherche actuelle. A l’avenir, le rendement d’astaxanthine peut encore être augmenté par la mutagenèse pour sélectionner des souches à haut rendement, l’ingénierie métabolique, combinée à l’optimisation de la formule du milieu de culture et des conditions de fermentation.

2.2.2 Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae est le premier micro-organisme eucaryote à subir le séquençage du génome entier. Il est facile à manipuler génétiquement, a un mécanisme clair de régulation de l’expression génétique, et la technologie mature de fermentation à haute densité. En particulier, le développement, ces dernières années, d’une série d’outils adaptés à l’assemblage de voies chez Saccharomyces cerevisiae en a fait une cellule châssis idéale pour la recherche en biologie synthétique [44]. Cependant, comme beaucoup de levures artificielles, les Saccharomyces cerevisiae de type sauvage ne peuvent synthétiser l’astaxanthine. Il doit être génétiquement modifié en introduisant des gènes clés pour la synthèse de l’astaxanthine pour réaliser la synthèse de l’astaxanthine. Et l’astaxanthine synthétisée est principalement dans le (3S,3'S) configuration. Le tableau 2 montre les derniers progrès réalisés dans la production d’astaxanthine par Saccharomyces cerevisiae.

Le crtZ ZZZet le crtL lde différentes espèces ont un effet significatif sur la synthèse de l’astaxanthine par Saccharomyces cerevisiae, de sorte que la compatibilité des gènes exogènes de synthèse de l’astaxanthine avec les cellules du châssis est particulièrement importante. Wang Ruizhao et Al., et al.[45] [traduction]ont exprimé différentes espèces de crtZ et de crtL lchez Saccharomyces cerevisiae en combinaison, et ont sélectionné des crtW chez Brevundimonas vesicularis et des crtZ chez Alcaligènesà partir de 30 combinaisons et des crtZ chez Alcaligenes, et la souche créée par le système SyBE-Sc118076 a produit jusqu’à 81,0 mg/L d’astaxanthine. Le dépistage des mutants de gènes clés est également un moyen efficace d’augmenter la production d’astaxanthine.

Par exemple, la construction d’une enzyme de La fusionpeut réduire efficacement l’accumulation de métabolites intermédiaires. Sur la base de la fusion du crtW et du crtZ à l’aide d’un linker, neuf mutants de fusion avec une production accrue d’astaxanthine ont été obtenus par évolution dirigée. La combinaison de ces mutants dominants a donné lieu à la souche L95S+1206L de levure d’astaxanthine à haut rendement, qui a 3,8 fois la teneur en astaxanthine de la souche témodans[49-50].

Afdansd’améliorer l’efficacité de la conversion du β-carotène en astaxanthine, Zhou Pingping et Al., et al.[46] [traduction]ont obtenu des mutants supérieurs de levure de crtZ et de crtW par coévolution orientée, et en même temps ont introduit un système de régulation à la température à base de gal4m9 [51], découplant la synthèse de l’astaxanthine du accouplement de croissance cellulaire, c.-à-d., la température a été maintenue à 30 °C dans la première phase pour permettre une croissance cellulaire rapide; Lorsque les cellules sont entrées en phase logarithmique, la température de culture a été changée à 24 °C pour favoriser la synthèse de l’astaxanthine; Enfin, 235 mg/L d’astaxanthine ont été synthétisés par fermentation biphasique à haute densité.

Étant donné que l’astaxanthine est liposoluble, cela entre en conflit avec la capacité limitée de stockage des lipides des micro-organismes modèles tels que Saccharomyces cerevisiae [52]. Par conséquent, la teneur en astaxanthine peut être augmentée en favorisant la synthèse des lipides pour étendre les gouttelettes de lipides et fournir plus d’espace de stockage pour la synthèse de l’astaxanthine. Par conséquent, Li Ming et Al., et al.ont utilisé un système CRISPR à trois fonctions pour crier une bibliothèque de gènes liés au métabolisme des lipides [47, 53], et modérément augmentés les niveaux d’expression d’opi3 et hrd1 pour promouvoir la synthèse des lipides. Après équilibrer l’expression du crtZ et du crtL,l,la teneur en astaxanthine a été augmentée à 10,21 mg/g de DCW. Enfin, en combinant la régulation spatiale de la synthèse des lipides et la régulation temporelle de la réponse à la température, 446,4 mg/L d’astaxanthine a été synthétisé dans la fermentation du lot de fusion.

2.2.3 levure lipolytique

La levure lipolytique est l’une des levures non conventionnelles les plus largement étudiées et utilisées. L’astaxanthine produite par la levure lipolytique est principalement dans le (3S,3'S) configuration. Par rapport à la levure conventionnelle Saccharomyces cerevisiae, la levure lipolytique présente une variété de caractéristiques biochimiques et métaboliques uniques. C’est une levure de type II typique qui est une bactérie aérobie qui ne produit pas d’éthanol, qui est toxique pour les cellules [54]. Il A également une voie métabolique acétylcoenzyme A efficace et un flux élevé de cycle d’acide tricarboxylique dans ses cellules, et l’accumulation de lipides peut atteindre 77%. Il est donc idéal pour la production industrielle d’acides organiques, de lipides et de leurs dérivés [55-57]. En outre, Y. lipolytiquepeut croître à un pH plus bas et à une pression osmotique plus élevée, et peut utiliser une variété de sources de carbone, de protéines et de substrats hydrophobes, tels que les sucres, les hydrocarbures, les alcools, les lipides, etc. Par conséquent, il n’est pas strict en ce qui a trait à l’environnement de croissance et peut se développer dans diverses conditions environnementales, ce qui a de bonnes perspectives d’application industrielle [58]. Le tableau 3 montre les derniers progrès de la production d’astaxanthine par Y. lipolytica.

Les gènes de biosynthèse de l’astaxanthine provenant de différentes sources sont toujours les facteurs clés affectant la production d’astaxanthine chez Y. lipolytica. Kildegaard et Al., et al.[59] [traduction]ont exprimé le TCR de Paracoccussp. N81106 et le TCR de P. 1 et 2.ananatis dans une souche d’y. lipolytiqueà haut rendement qui produit du β-carotène, et ont optimisé le numéro de copie des gènes pertinents. Les copies ont été optimisées et on a obtenu 3,5 mg/g de DCW (54,6 mg/L) d’astaxanthine. Dans une autre étude, trois paires de crtW et de crtZ de différentes sources ont été exprimées, et il a été souligné que HpLe CrtWet HpLe CrtZd’haematococcus pluvialis avaient la plus forte activité dans la conversion du β-carotène en astaxanthine [65]. Grâce à l’assemblage modulaire des gènes correspondants par le peptide court de RIAD-RIDD DDD[62], et en même temps en augmentant le nombre de copies à 20, la production d’astaxanthine de levure lipase recombinante a atteint 3,3 g/L dans des conditions de culture en lot avec un supplément, ce qui est le niveau le plus élevé de synthèse d’astaxanthine dans un châssis microbien à ce jour.

La plupart des méthodes de régulation métabolique pour produire des produits chimiques à forte valeur ajoutée dans les micro-organismes utilisent le cytoplasme comme récipient de réaction [66]. Cependant, l’isolement d’enzymes et de substrats et la tige métabolique entravent souvent la synthèse efficace des composés cibles dans le cytoplasme. La régionalisation des organites dans les cellules eucaryotes apporte une solution à ce goulot d’étranglement. Par exemple, Ma Yongshuo et Al., et al.[60] [traduction]ont non seulement accéléré la conversion du β-carotène en astaxanthine, mais ont également réduit de façon significative l’accumulation de caroténoïdes intermédiaires en localisant la voie de synthèse de l’astaxanthine dans le réticulum endoplasmique et les peroxysomes, augmentant ainsi la production d’astaxanthine 141 fois. Dans la fermentation par lots, 858 mg/L d’astaxanthine peuvent être synthétisés.

L’astaxanthine est un composé terpène liposoluble, et sa forte hydrophobicité conduit à une faible biodisponibilité. L’ajout d’une phase huileuse externe peut favoriser la dissolution de l’astaxanthine et empêcher la formation de cristaux, augmentant ainsi le rendement d’astaxanthine. Yuzbasheva et Al., et al.[61] [traduction]ont utilisé une approche d’ingénierie modulaire et une technologie de fusion, ont construit une souche recombinante de Saccharomyces cerevisiae déficiente en lipases avec une production d’astaxanthine de 587,3 mg/L,et la production d’astaxanthine pourrait être augmentée à 973,4 mg/L avec l’ajout d’une superposition d’huile.

La Glycosylation peut également augmenter significativement la solubilité dans l’eau de l’astaxanthine, améliorant ainsi sa biodisponibilité, sa stabilité à la lumière et son activité biologique [67-68]. Chen Jing et Al., et al.[63] [traduction]ont construit une souche végétale produisant de l’astaxanthine en exprimant les gènes du caroténoïde 4-hydroxy -β-cyclodéhydro-génase (HBFD) et du caroténoïde β-cyclodéhydro-génase (CBFD) du soucis d’été chez Pichia pastoris, et le rendement en astaxanthine a atteint 3,46 mg/L. Sur cette base, en expriant le gène de la zéaxanthine glycosyltransférase (CrtX) de Pantoea ananatis (P. ananatis ATCC 19321), une voie de synthèse glycosylée de l’astaxanthine a été construite avec succès, et le rendement a atteint 1,47 mg/L,ce qui est le rendement le plus élevé d’astaxanthine glycosylée produite par des microorganismes rapporté jusqu’à présent.

2.2.4 Kluyveromycesmarxianus

Ces dernières années, Kluyveromyces marxiena été largement utilisé dans la synthèse de produits naturels. Par rapport à d’autres levures traditionnelles, elle présente les avantages suivants: la levure Maxicruve peut augmenter la production cellulaire en fournissant un excès de sources de carbone [69]; Certaines levures maxicruves sont résistantes aux hautes températures et peuvent fermenter à des températures comprises entre 25 et 52 °C [70]; Il a une glycosylation appropriée et des peptides à signal fort, et a une capacité de sécrétion plus élevée que Saccharomyces cerevisiae [71].

À l’heure actuelle, sur la base de méthodes d’ingénierie métabolique, la levure Maxicruve a été utilisée comme cellule de châssis pour synthétiser l’astaxanthine, et l’astaxanthine synthétisée est principalement dans le (3S, 3'S) configuration. Par exemple, LdansYuju et Al., et al.[72] [traduction]ont construit une voie de synthèse hétérologue de l’astaxanthine dans la levure Maxicruve pour obtenir la synthèse de l’astaxanthine à l’aide du glucose. Ils ont intégré les gènes Hpchyb et BKT d’haematococcus pluvialis dans le génome de Saccharomyces cerevisiae et augmenté leur nombre de copies pour obtenir quatre souches modifiées. Pour améliorer davantage le rendement, des mutations dirigées vers le site ont été introduites dans le gène Hpchyb afdansd’améliorer l’efficacité enzymique et de prévenir la dégradation des protéines hétérologues induite par l’ubiquitination.

Ceci a finalement abouti à la synthèse de 9972 μg/g DCW astaxanthine dans un fermenteur de 5 L. Dans une autre étude, l’utilisation d’un promoteur xylosé induisant et d’un système de régulation de la température a permis de découpler la croissance cellulaire et la synthèse des produits. Une optimisation plus poussée de la voie métabolique et des conditions de fermentation a donné lieu à une production d’astaxanthine de 56,8 mg/L [73]. Bien qu’il existe peu de rapports sur l’utilisation de la levure maxicruvine comme cellule châssis pour la production d’astaxanthine, ses avantages uniques offrent une nouvelle option technique pour la fermentation microbienne et la synthèse de l’astaxanthine.

2.2.5 autres levures

Outre les levures artificielles typiques mentionnées ci-dessus, il existe relativement peu de rapports sur la production d’astaxanthine par des levures telles que Rhodotorula mucilaginosa et la levure rouge marine. Rhodotorula mucilaginosa est une levure rouge contenant de l’huile et est principalement utilisée pour produire du β-carotène. Une équipe A obtenu une souche de Rhodotorula mucilaginosa RG-31, productrice d’astaxanthine, par un crible de mutagénèse, et A finalement optimisé les conditions de fermentation pour obtenir une teneur en astaxanthine de 7,41 μg/mL. La levure rouge Marine est un type de levure unicellulaire qui existe naturellement dans l’océan. Il a une bonne tolérance au sel et produit des caroténoïdes, principalement de l’astaxanthine. Une souche de levure marinerouge profond S8 à haute production de caroténoïdes A été obtenue par mutagénèse ultraviolette pour obtenir la souche ST5, et en optimisant les conditions de fermentation, la teneur en astaxanthine peut atteindre 520 μg/g.

2.3 bactéries

En raison de la faible production d’astaxanthine par les bactéries, la recherche sur l’astaxanthine s’est principalement concentrée sur les algues et les champignons au pays et à l’étranger, et relativement peu de recherches ont été faites sur la synthèse de l’astaxanthine par les bactéries. Bien que la teneur en astaxanthine de la plupart des bactéries soit beaucoup plus faible que celle de certaines algues et champignons, l’introduction de gènes liés à la synthèse de l’astaxanthine dans les bactéries [20] [en]peut augmenter considérablement la production d’astaxanthine. En même temps, par rapport aux champignons et aux algues, l’utilisation de la fermentation bactérienne facilite l’extraction de l’astaxanthine, ce qui peut grandement simplifier le processus d’extraction ultérieur. En particulier, les bactéries gram-négatives ont des parois cellulaires fines et facilement cassées, ce qui facilite l’extraction de l’astaxanthine des cellules. Par conséquent, la production d’astaxanthine par fermentation bactérienne peut réduire considérablement le coût de production de l’astaxanthine et est d’une grande importance pour la production industrielle future.

2.3.1 Escherichiacoli

EscherichiaLes coliest une bactérie gram négative, facultativement anaérobie. Il est facile à cultiver, simple à utiliser, peu coûteux et dispose d’outils de modification génétique moléculaire matures. Il est devenu l’un des meilleurs hôtes de l’ingénierie métabolique et de la biologie synthétique. En tant que souche ne produisant pas de caroténoïdes, elle peut synthétiser les précurseurs des composés terpènes IPP et DMAPP par la voie du MEP. Dans les E. Les colide type sauvage, la synthase de FPP peut être produite In vivo, ce qui peut condenser IPP et DMAPP pour générer GPP et FPP,mais il manque les enzymes qui convertisseront FPP en astaxanthine finale. Par conséquent, en introduisant un module exogène de synthèse d’astaxanthine dans E. coli, il est relativement facile de synthétiser l’astaxanthine dans E. coli, et l’astaxanthine synthétiser est principalement dans le lévorotatoire (3S, 3'S) configuration. Le tableau 4 montre les derniers progrès réalisés dans la production d’astaxanthine d’e. coli.

L’identification de gènes clés dans la voie de synthèse métabolique de l’astaxanthine a permis de construire des bactéries artificielles avec une production élevée d’astaxanthine. Jeong et Al., et al.[75] [traduction]ont utilisé la voie MEP de Kocuria gwangallensis pour co-exprimer DXS, ispC, ispD,ispE, E,E,ispF, ispG,ispH et idi et les gènes impliqués dans la conversion de la synthèse de l’astaxanthine (crtJe,crtE, crtYB,crtW, crtZ) ont été co-exprimés dans E. Les colipour augmenter la production d’astaxanthine. Cet E. Les coliartificiel contenant les gènes de la voie non-mévalonate était capable de synthétiser 1100 μg/g DCW d’astaxanthine. Les gènes lytB,ispA et idi dans la voie de l’isoprénoïde sont essentiels pour la synthèse de IPP,DMAPP et FPP. Cependant, comme E. Les colilui-même ne peut synthétiser ces précurseurs que pour répondre à ses propres besoins de croissance et ne peut pas les détourner vers la voie de synthèse de l’astaxanthine, le rendement en astaxanthine est trop faible. Par conséquent, Lee et Al., et al.[76] [traduction]ont surexpressé la lytB,l’ispa et l’idi chez E. Les coliportant les gènes de synthèse de l’astaxanthine (crtJe,crtE, crtYB,crtW, crtZ), et ont finalement conçu E. coli pour synthétiser 1200 μg/g DCW astaxanthine. Le dépistage des TCR et des TCR provenant de différentes sources est toujours l’une des méthodes de routine pour améliorer la production d’astaxanthine.

Par exemple, Lu et Al., et al.[78] [traduction]ont comparé le TCR et le TCR provenant de différentes sources et ont conclu que le TCR provenant de Brevundimonas sp. SD212 et le TCR provenant de Pantoea agglomérans étaient la meilleure combinaison pour la production d’astaxanthine. En équilibrant l’activité d’expression du crtW et du crtZ,une souche d’e. coli ASTA-1 a été construite qui ne comportait ni plasmide ni marqueur antibiotique. Sans l’ajout d’un inducteur, la souche recombinante a synthétisé 96,6 % des caroténoïdes sous forme d’astaxanthine, atteignant une teneur de 7,4 mg/g de DCW. Wu Yuanqing et Al., et al.[79] en savoir plus [79]ont examiné 9 crtZ et crtW provenant de différentes sources et les ont introduit dans des E. coli modifiés avec une production élevée de β-carotène, et la teneur en astaxanthine a atteint 0,49 à 8,07 mg/L. Par la suite, le crtZ et le crtW ont été fusionnés à l’aide d’un linker peptidique optimisé, ce qui a encore augmenté la production d’astaxanthine de 127,6%.

Li Shun et Al., et al.[80] [traduction]ont exprimé le gène HpCHY YYYYYYd’haematococcus pluvialis et le gène CrBKT de Chlamydomonas reinhardtii chez Escherichiacoli en choisissant le promoteur GadE. La souche modifiée finale a pu synthétiser 24,16 mg/L d’astaxanthine, ce qui est 40 fois plus élevé que la souche originale. Ceci montre que le choix des éléments génétiques appropriés pour la synthèse de l’astaxanthine peut affecter significativement le niveau d’expression de l’astaxanthine.

L’augmentation du nombre de copies de gènes clés est un moyen simple, direct et efficace d’augmenter la production d’astaxanthine. Par exemple, chez E. coli, le goulot d’étranglement de l’accumulation insuffisante d’astaxanthine a été éliminé en augmentant le nombre de copies de crtYB,et en régulant l’expression du promoteur, la production finale d’astaxanthine a atteint 1,18 g/L dans des conditions de fermentation de lot d’alimentation [20].

Li Di et al. [82] [traduction]ont d’abord effectué des mutations aléatoires sur le crtW pour augmenter son activité dans la conversion du β-carotène en astaxanthine, puis ont augmenté le nombre de copies de crtW et de crtZ par la méthode Cre-loxP pour construire une souche d’e. coli avec une production élevée d’astaxanthine. Enfin, par fermentation par lots de fusion, la production d’astaxanthine a atteint 0,88 g/L [84]. Zhang Meng et al. [83] [traduction]ont constaté que la co-expression du crtZ de Paracoccussp. PC1 et du crtZ de Pantoea agglomération peut augmenter l’accumulation d’astaxanthine et de produits intermédiaires. Enfin, une souche d’e. coli fabriquée une souche d’e. coli fabriquée avec deux copies de PAcrtZ et une copie de PCcrtZ.Après 70 h de fermentation par lot, la production d’astaxanthine a atteint 1,82 g/L.

En outre, des stratégies pour améliorer la voie métabolique de l’astaxanthine par des moyens techniques non conventionnels peuvent également être utilisées pour atteindre l’objectif d’augmenter la production d’astaxanthine. Par exemple, en co-exprimant les gènes partenaires ApcpnA et ApcpnB dans les gènes de synthèse de l’astaxanthine d’e. coli (crtI, crtE, crtYB,crtW, crtZ), les bactéries modifiées finales peuvent produire 890 μg/g de DCW d’astaxanthine [74]. Lemuth et al. [77] [traduction]ont construit la première E. coli exempte de plasme et ont intégré de façon stable les gènes de la voie de biosynthèse de l’astaxanthine dans le chromosome d’e. coli grâce à la technologie de recombinaison rouge γ, de sorte que la voie ne menait qu’à la synthèse de l’astaxanthine. La teneur finale en astaxanthine a atteint 1,4 mg/g de DCW [85]. La morphologie et l’ingénierie du stress oxydatif sont également des stratégies efficaces pour améliorer la synthèse de l’astaxanthine chez E. coli. Par exemple, la suppression de gènes liés à la morphologie et aux membranes peut donner lieu à des cellules plus grandes et plus longues, qui à leur tour augmentent l’accumulation d’astaxanthine.

Le stress oxydatif fait référence à un déséquilibre entre la production d’espèces réactives d’oxygène et d’antioxydants dans les cellules, ce qui entraîne des dommages cellulaires. Par conséquent, la suppression de gènes liés au stress oxydatif peut augmenter le niveau d’espèces réactives d’oxygène dans les cellules afdansde protéger les cellules [81]. Dans le même temps, la morphologie des cellules changera encore après que la température augmente, et le niveau d’espèces réactives d’oxygène sera également plus élevé. Par conséquent, en établissant un système d’expression complémentaire des plasmides sensibles à la température, la teneur en astaxanthine de cette souche d’e. coli peut finalement être accrue à 11,92 mg/g de DCW. En outre, des stratégies de localisation enzymatique peuvent également être utilisées pour augmenter la production d’astaxanthine dans le génie génétique E. coli. Par exemple, Ye Lijun et al. [86-88] ont utilisé une étiquette de localisation d’e. coli pour localiser la dioxygénase de clivage de β-carotène PhCCD1 à différents compartiments cellulaires et ont constaté que son efficacité catalytique était optimale au niveau de la membrane. Enfin, après la fusion du CrtW et du CrtZ à la membranecellulaire E. coli à travers la protéine GlpF, la production d’astaxanthine a augmenté de 215,4%.

2.3.2 Paracoccus

Paracoccus (Paracoccus sp.) est une bactérie aérobie gram-négative qui contient de l’astaxanthine et d’autres caroténoïdes rares dans ses cellules. Cependant, il existe peu de documents de recherche sur la synthèse de l’astaxanthine dans Paracoccus [89-90]. Les caroténoïdes naturels existent généralement dans la configuration E, qui est moins biodisponible pour les humains et les animaux. La "z-isomérisation" est un moyen efficace d’augmenter leur biodisponibilité [91-93]. Par exemple, Honda et al. [94] [en]ont utilisé le coccolithophore comme cellule du châssis pour isomériser les caroténoïdes comme l’astaxanthine dans des conditions d’eau sous-critique (chauffer l’eau au-dessus du point d’ébullition, sous le point critique et contrôler la pression du système pour maintenir l’eau à l’état liquide). On a constaté que l’ajout d’éthanol dans des conditions de chauffage et de pressurisation améliorait considérablement l’efficacité de la "z-isomérisation". Et des conditions sous pression, l’efficacité de "z-isomérisation" a été considérablement améliorée. Enfin, après 30 minutes de traitement sous-critique de l’eau, tout en inhibant la dégradation des caroténoïdes, l’astaxanthine avec un rapport «z-isomérisation» supérieur à 50% a été obtenue.

Une régulation appropriée de la composition du milieu de culture et des paramètres pendant la fermentation est une stratégie efficace pour augmenter la production d’astaxanthine. L’ajout d’intermédiaires d’acide tricarboxylique au milieu de culture peut améliorer l’approvisionnement en précurseurs. L’activité des enzymes clés peut également être renforcée par l’ajout de cofacteurs pour les enzymes clés dans la synthèse de l’astaxanthine (sulfate ferreux, acide ascorbique, NADPH,ATP et 2-oxoglutarate), augmentant ainsi l’accumulation d’astaxanthine. Par exemple, lors de la production d’astaxanthine dans un chassis de Bacillus subtilis, l’activité de l’enzyme Crt peut être augmentée en ajoutant 5 mmol/L de malate et 1 mmol/L de sulfate ferreux, augmentant la production d’astaxanthine de 177 μg/L à 3750μg/L [95]. Bien que la production d’astaxanthine par les bactéries elles-mêmes soit inférieure à celle des algues et de la levure, elle fournit des éléments génétiques alternatifs pour la construction et la modification ultérieures de souches modifiées.

2.3.3 autres bactéries

Il y a relativement peu de bactéries qui peuvent produire de l’astaxanthine, et les rendements sont relativement faibles. La plus étudiée est Escherichiacoli en tant que cellule de châssis. En outre, Mycobacterium lacticola et Bevibacterium peuvent également produire de l’astaxanthine. Cependant, Mycobacterium lacticola ne produit de l’astaxanthine que sur des milieux hydrocarbonés et ne produit pas d’astaxanthine sur des milieux nutritifs. Bevibacterium pousse dans l’huile, et à la fdansde la fermentation, la biomasse est seulement 3 g/L,et la teneur en astaxanthine est encore plus faible.

En résumé, E. coli est actuellement la cellule châssis idéale pour la production d’astaxanthine parmi les bactéries.

3 procédé d’extraction de l’astaxanthine

L’astaxanthine est un produit intracellulaire, de sorte que l’extraction de l’astaxanthine à partir de micro-organismes est divisée en deux étapes: la rupture cellulaire et la collecte d’astaxanthine. Par rapport aux bactéries, les parois cellulaires des algues et des levures sont dures et épaisses, et ne sont pas facilement cassées, ce qui rend l’extraction du produit très difficile. Par conséquent, l’extraction de l’astaxanthine est axée sur la perturbation de la paroi cellulaire [96].

Les méthodes traditionnelles de perturbation de la paroi cellulaire comprennent principalement des méthodes physiques, chimiques et enzymatiques [97]. Les méthodes physiques comprennent le broyage mécanique, le broyage ultrasonique et l’extraction de fluide supercritique. Le broyage mécanique est simple à utiliser, et les parois cellulaires sont déchirées par l’agitation mécanique, libérant ainsi l’astaxanthine à l’intérieur des cellules. Cependant, le broyage mécanique peut causer des températures élevées dans certains endroits, ce qui peut endommager l’astaxanthine dans une certaine mesure. Bien que le broyage ultrasonique puisse effectivement briser les parois cellulaires dans le soluté, comme l’intensité et la durée de l’action ultrasonique augmentent, la production de radicaux libres fortement oxydants augmente, ce qui conduit à une diminution du taux d’extraction de l’astaxanthine. L’extraction par fluide supercritique est la méthode d’extraction la plus efficace pour extraire divers types de produits d’algues au cours des dernières années. Comparé aux solvants liquides traditionnels, il a quelques propriétés physiques et chimiques uniques, telles que la diffusivité élevée, la compressibilité élevée, la basse tension superficielle, la basse viscosité, et la pénétration facile des parois cellulaires, ce qui améliore l’efficacité d’extraction du produit.

Les méthodes chimiques comprennent principalement l’extraction par solvant organique, le traitement acido-basique et les méthodes de diméthyl sulfoxide (DMSO). L’astaxanthine est un produit naturel liposoluble, de sorte que le choix du solvant organique doit prendre en compte si l’astaxanthine est soluble et la polarité du solvant. Par exemple, Xing Tao et al. [99] [traduction]ont utilisé l’acétate d’éthyle comme solvant organique pour extraire l’astaxanthine d’haematococcus pluvialis, et le rendement final était de 98,51%. Bien que l’utilisation de solvants organiques pour extraire l’astaxanthine ait un rendement élevé, le côté négatif est que de nombreux solvants sont toxiques et peuvent avoir un effet nocif sur l’astaxanthine. Le traitement acide-base implique l’utilisation de grandes quantités de réactifs acides et alcalins, qui peuvent non seulement endommager l’astaxanthine, mais aussi causer la pollution de l’environnement correspondante. Le diméthyl sulfoxide est un solvant polaire qui est soluble dans l’eau et les solvants organiques. C’est un solvant couramment utilisé pour briser les parois cellulaires en laboratoire, car il peut briser rapidement et efficacement les parois cellulaires des bactéries sans affecter de manière significative l’astaxanthine [100]. Lorsqu’il est mélangé à de l’acétone dans les bonnes proportions, il peut également extraire l’astaxanthine relativement complètement [101].

L’extraction enzymatique de l’astaxanthine présente les avantages de conditions légères, de faible consommation d’énergie et de temps de traitement court. Il peut non seulement briser rapidement et efficacement les parois cellulaires et libérer de l’astaxanthine des cellules, mais aussi inhiber l’activité cellulaire pour empêcher la dénaturation des substances intracellulaires [102]. Par conséquent, l’astaxanthine extraite par la méthode enzymatique est plus stable que celle obtenue par d’autres méthodes. Par exemple, la β-glucanase peut hydrolyser le β-glucane dans la paroi cellulaire, ce qui peut empêcher l’astaxanthine de se déverser hors des bactéries et réduire les pertes [100]. Cependant, la méthode enzymatique nécessite une grande quantité d’enzymes, ce qui augmente sans aucun doute les coûts de production. En même temps, les enzymes étant des protéines par nature, elles sont sujettes à la dénaturation et ne conviennent donc pas à l’extraction d’astaxanthine à grande échelle.

Puisque l’astaxanthine est un antioxydant fort, si elle est exposée à l’air pendant une longue période, l’oxygène dans l’air réagit avec l’astaxanthine et lui fait perdre sa capacité antioxydante. Par conséquent, un processus d’extraction sans oxygène (rempli d’azote) est également l’une des étapes qui n’est actuellement pas disponible dans la production industrielle. Cette méthode consiste à remplir avec un gaz inerte ou de l’azote pour fournir un environnement sans oxygène pour l’extraction par solvant organique, qui protège son activité et améliore significativement l’activité antioxydante de l’astaxanthine.

4 résumé et perspectives

En raison de la large application de l’astaxanthine dans les domaines de l’alimentation, de la médecine et des cosmétiques, la demande du marché pour l’astaxanthine devrait augmenter. À l’heure actuelle, la synthèse chimique est toujours la principale méthode de production d’astaxanthine, mais en raison des limites de l’astaxanthine synthétisée chimiquement, les pays du monde entier deviennent de plus en plus stricts dans leur gestion de la synthèse chimique de l’astaxanthine. Cependant, l’astaxanthine extraite directement des ressources naturelles peut difficilement répondre à la demande des consommateurs.

Par conséquent, la production industrielle d’astaxanthine par fermentation microbienne offre une option prometteuse. La levure est la cellule châssis la plus prometteuse en raison de ses avantages tels qu’un large spectre de substrats, une croissance et une culture faciles, un cycle de fermentation court et des outils de modification génétique relativement matures. Parmi eux, Rhodopseudomonas palustris est capable de produire naturellement de l’astaxanthine, croît rapidement et peut utiliser une variété de sources de carbone; Yarrowialipolytica A un flux acétylcoenzyme A élevé et une voie métabolique du cycle de l’acide tricarboxylique, et peut croître à un pH plus bas et à une pression osmotique élevée; Saccharomyces cerevisiae est facile à manipuler génétiquement, possède un mécanisme clair pour réguler l’expression des gènes et une technologie de fermentation à haute densité mûre; Et Pichia pastoris peut résister à des températures élevées, a la glycosylation appropriée, et des peptides forts de signal.

Avec le développement rapide de la biologie synthétique, de l’ingénierie des protéines, de l’ingénierie métabolique et de l’ingénierie de fermentation, de nombreux micro-organismes ont été utilisés comme cellules de châssis pour produire l’astaxanthine. Cependant, malgré les percées importantes dans la biosynthèse de l’astaxanthine, des défis demeurent:

Premièrement, les micro-organismes capables de produire naturellement de l’astaxanthine, tels que Rhodotorula glutinis et Haematococcus pluvialis, ont encore des problèmes avec des rendements faibles, des conditions de culture strictes et des coûts élevés. Pour résoudre ce problème, les recherches futures devraient se concentrer sur la culture et le criblage de souches à haut rendement et sur l’optimisation des conditions de culture afdansd’augmenter les rendements et de réduire les coûts.

Deuxièmement, en raison de la voie anabolisante complexe de la synthèse de l’astaxanthine, il existe encore des problèmes tels que les faibles rendements dans l’ingénierie métabolique d’organismes modèles tels que Escherichiacoli, Lipomyces starkeyi, Saccharomyces cerevisiae, etc. A cet égard, les stratégies suivantes peuvent être utilisées pour améliorer l’efficacité de la synthèse de l’astaxanthine dans les cellules du châssis (Figure 4): (1) optimiser et modifier la voie métabolique MVA. Par exemple, le tHMG GGtronqué (tronqué par 500 acides aminés au N-terminus) s’est avéré être un gène clé dans la voie MVA. Il peut empêcher efficacement sa propre dégradation, augmentant ainsi la production de caroténoïdes.

(2) (2) Le remplacement des promoteurs de différentes forces améliore la correspondance catalytique dans les voies métaboliques. Par exemple, dans le gène de biosynthèse du β-carotène, un fort promoteur PTEF Fa remplacé d’autres promoteurs faibles, augmentant considérablement la production de β-carotène chez Yarrowia lipolytica [103].

③ augmentant le nombre de copie des gènes clés pour améliorer le flux métabolique des étapes limitant le taux. Par exemple, lorsque le nombre de copies de crtYB a été augmenté de 1 à 4, la production de β-carotène a augmenté de 76% [104].

④ assemblage modulaire de gènes clés utilisant différents linkers ou peptides courts pour améliorer le flux métabolique de carbone, augmentant ainsi la puissance de l’astaxanthine.

⑤ localisez dans différents organelles subcellulaires pour augmenter l’espace de stockage pour l’astaxanthine. Les caroténoïdes sont généralement stockés dans la membrane cellulaire, ce qui peut réduire la fluidité de la membrane cellulaire et causer la mort cellulaire. La localisation de la voie métabolique des caroténoïdes dans les organelles subcellulaires peut réduire les troubles métaboliques trouble du métabolisme. En même temps, il peut également augmenter l’espace de stockage des caroténoïdes dans la cellule, réduisant sa toxicité pour la cellule. Par exemple, le réticulum endoplasmique, les mitochondries et les peroxysomes dans les cellules eucaryotes ont des environnements physiques uniques qui fournissent des conditions favorables à la synthèse des caroténoïdes.

⑥ l’optimisation des conditions de Fermentation est le moyen le plus commun et le plus efficace d’augmenter la production d’astaxanthine. Par exemple, optimiser le milieu avec différentes sources de carbone et d’azote, différents rapports carbone et azote, valeurs de pH et contrôle de la température.

Il convient également de noter que même si l’astaxanthine produite par biosynthèse a une valeur d’application beaucoup plus grande que celle produite par la synthèse chimique, son application est toujours limitée par les lois et règlements de nombreux pays. Par exemple, la FDA américaine interdit l’utilisation de l’astaxanthine comme additif alimentaire parce que le chauffage prolongé de l’astaxanthine peut produire des agents cancérigènes. La France stipule clairement que l’astaxanthine ne peut être utilisée que dans des produits de santé et des cosmétiques spécifiques. Par conséquent, il reste encore un long chemdansà parcourir avant que l’astaxanthine puisse être produite par fermentation microbienne.

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[96] [traduction]   JIAN H L, ZHU M J, WU Z Q, et al. Extraction de l’astaxanthine de Phaffia rhodozyma  avec lytique enzyme  Produit par Par: Bacillus circulans A   1.383[J]. Journal  of  Chemical   ingénierie Of Chinese Universities, 2006, 20(1): 147-151.

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[100] [traduction]  À propos de GAOY, XING L H, SUN W H, et al. Progrès de la recherche sur l’extraction, l’épuration and  quantitatif Méthodes de détection D’astaxanthine provenant de différentes sources[J]. Journal de la sécurité alimentaire & Quality, 2020, 11(5): 1414-1423.

[101] voir aussi   ANG  F S, KHAW S Y, FEW L L, et al. Isolement d’une astaxanthine-hyperproduction stable   Mutant de Xanthophyllomyces dendrorhous par mutagénièse aléatoire [J]. Applied Biochemistry and Microbiology, 2019, 55(3): 255-263.

[102] ZHOU J K, LI J H, GE F H et al. Etude sur la nouvelle technologie enzymatique extraction  of  astaxanthin  À partir de Haematococcus pluvialis[J]. Journal of Chinese Medicinal Materials, 2008, 31 (9): 1423-1425.

[103] voir aussi:   LARROUDE M, CELINSKA E, BACK A, et al. Une approche de biologie synthétique pour ransformer Yarrowia lipolytica en un producteur biotechnologique compétitif De β-carotène [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2018, 115(2): 464-472.

[104] [traduction]   GAO  S  L, TONG Y Y, ZHU L, et al. Intégration itérative de copies multiples  parcours   Gènes dans Yarrowia   lipolytica    Pour la production hétérologue de β-carotène [J]. Metabolic Engineering, 2017, 41:192-201.