تولید آستاگزانتین توسط مخمر:

پیشرفت های بیوتکنولوژیکی و دیدگاه های صنعتی

آستاگزانتین یک کتو{0}}کاروتنوئید طبیعی است که به دلیل ظرفیت آنتی اکسیدانی استثنایی و کاربردهای گسترده آن درآبزی پروری، مکمل های غذایی، داروها و لوازم آرایشی. به عنوان تقاضای بازار برایآستاگزانتین طبیعیبه رشد خود ادامه می دهد، بیوسنتز میکروبی-به ویژه با استفاده از مخمر-به عنوان یکی از امیدوارکننده ترین مسیرهای تولید صنعتی ظاهر شده است.

این مقاله ارائه می دهدنمای کلی صنعت-تولید آستاگزانتین مبتنی بر مخمر-با تمرکز برمسیرهای بیوسنتزی، استراتژی های مهندسی کرنش و بهینه سازی تخمیر، بر اساس پیشرفت های علمی اخیر.

1. چرا آستاگزانتین در بازار جهانی اهمیت دارد؟

آستاگزانتین به دلیل فعالیت آنتی اکسیدانی قوی، پتانسیل ضد التهابی، و نقش آن در حمایت از سیستم ایمنی، سلامت چشم و محافظت از پوست ارزشمند است. در مقایسه با آستاگزانتین سنتز شده شیمیایی،آستاگزانتین به طور طبیعی تولید می شودچندین مزیت ارائه می دهد:

فعالیت بیولوژیکی بالاتر به دلیل تنظیمات استریوشیمیایی تعریف شده

عدم وجود بقایای سنتز شیمیایی

فراهمی زیستی بهتر، اغلب در اشکال استری شده وجود دارد

در نتیجه، آستاگزانتین طبیعی تبدیل شده استانتخاب ارجح برای برنامه های غذایی، مکمل و آرایشی، به ویژه در بازارهای حساس- و نظارتی.

2. چرا مخمر یک بستر تولید ایده آل است؟

در میان منابع طبیعی مختلف، مخمر به‌عنوان یک کارخانه میکروبی قوی و مقیاس‌پذیر برای تولید آستاگزانتین شناخته می‌شود:

رشد سریع و چرخه تخمیر کوتاه

استفاده از بستر گسترده

ابزارهای مهندسی ژنتیک به خوبی-تثبیت شده است

فرآیندهای تخمیر صنعتی اثبات شده

گونه های مخمر رایج مورد مطالعه و استفاده برای بیوسنتز آستاگزانتین عبارتند از:

زانتوفیلومایسس دندورهوس(فافیا رودوزیما)

ساکارومایسس سرویزیه

یارویا لیپولیتیکا

Kluyveromyces marxianus

این موجودات یا به عنوانتولید کنندگان طبیعییا به عنوانمیزبان های مهندسی شدهبرای مسیرهای هترولوگ آستاگزانتین

3. مروری بر بیوسنتز آستاگزانتین در مخمر

بیوسنتز آستاگزانتین در مخمر به طور کلی انجام می شوددو مرحله:

3.1 تشکیل -کاروتن

این فرآیند با متابولیسم مرکزی کربن آغاز می شود، جایی که قندهایی مانند گلوکز از طریق مواد غذایی به پیش سازهای ایزوپرنوئید تبدیل می شوند.مسیر موالونات (MVA)که بومی مخمر است. واسطه های کلیدی مانند IPP و DMAPP متراکم شده و به موارد زیر تبدیل می شوند:

ژرانیل ژرانیل پیروفسفات (GGPP)

فیتوئن

لیکوپن

-کاروتن

این مرحله تعیین می کندظرفیت شار کربنبه سمت تولید آستاگزانتین

3.2 تبدیل -کاروتن به آستاگزانتین

-کاروتن از طریق دو واکنش متوالی به آستاگزانتین تبدیل می‌شود:

هیدروکسیلاسیون

کتولاسیون

درX. dendrorhous، این تبدیل توسط یک سیستم آستاگزانتین سنتاز مبتنی بر سیتوکروم P450 کاتالیز می شود.
در گونه های مخمر مهندسی شده، ژن های کد کننده -کاروتن هیدروکسیلاز و کتولاز (معمولاًcrtZوcrtW/BKT) از منابع باکتریایی یا جلبکی وارد می شوند.

در طی این فرآیند، کاروتنوئیدهای میانی مانند کانتاکسانتین یا اکیننون نیز ممکن است تشکیل شوند.

4. راهکارهایی برای افزایش بازده آستاگزانتین

4.1 بهبود کرنش

سویه های مخمر طبیعی به طور معمول آستاگزانتین را در سطوح پایین تولید می کنند. برای بهبود بهره وری، چندین استراتژی به طور گسترده اعمال می شود:

اصلاح جهش زایی(به عنوان مثال، UV، تابش گاما، ARTP)

تکامل آزمایشگاهی تطبیقی

مهندسی متابولیک، از جمله:

بیان بیش از حد آنزیم های محدود کننده نرخ کلیدی-

کاهش مسیرهای رقابتی (به عنوان مثال، بیوسنتز استرول)

ویرایش دقیق ژنوم با استفاده از سیستم های CRISPR/Cas

از طریق این رویکردها، سویه های مخمر مهندسی شده به دست آمده اندصدها میلی گرم در لیترتولید آستاگزانتین در شرایط بهینه

5. بهینه سازی فرآیند تخمیر

فراتر از مهندسی کرنش، پارامترهای تخمیر نقش تعیین کننده ای در عملکرد مقیاس صنعتی- دارند.

عوامل کلیدی تأثیرگذار عبارتند از:

منابع کربن: گلوکز، هیدرولیزهای لیگنوسلولزی، یا روغن های گیاهی

منابع نیتروژن: عصاره مخمر و پپتون معمولا ترجیح داده می شوند

نسبت C/N: نسبت های بالاتر اغلب به نفع تجمع کاروتنوئیدها است

کنترل pHشرایط کمی اسیدی (حدود pH 4.5-5.0) به طور کلی مطلوب است

اکسیژن محلول (DO): اکسیژن کافی هم از رشد سلولی و هم از فعالیت آنزیمی حمایت می کند

ادغام مناسب این پارامترها می تواند به طور قابل توجهی عملکرد نهایی آستاگزانتین و ثبات فرآیند را افزایش دهد.

6. چشم انداز صنعتی

تولید آستاگزانتین بر پایه مخمر- نشان دهنده یکمقیاس پذیر، پایدار و قابل کنترلجایگزینی برای استخراج سنتی از جلبک یا سنتز شیمیایی. با پیشرفت مداوم در مهندسی متابولیک و فناوری تخمیر، انتظار می‌رود که آستاگزانتین میکروبی نقش مهمی را در موارد زیر ایفا کند:

فرمولاسیون های غذایی و غذایی

محلول های رنگدانه آکوافید

لوازم آرایشی کاربردی و محصولات مراقبت از پوست

برای تامین کنندگان و خریداران به دنبالکیفیت پایدار، انطباق با مقررات، و کارایی هزینه طولانی مدتآستاگزانتین طبیعی مشتق از مخمر-پتانسیل تجاری قوی ارائه می دهد.

افکار نهایی

پیشرفت‌ها در بیوتکنولوژی مخمر به سرعت آستاگزانتین را از یک ترکیب{0}}با ارزش بالا بهماده طبیعی قابل دوام صنعتی. ادامه نوآوری در توسعه کرنش و بهینه‌سازی فرآیند، هزینه‌های تولید را بیشتر کاهش می‌دهد و چشم‌انداز جهانی کاربرد آن را گسترش می‌دهد.