Cải thiện sản xuất axit eicosapentaenoic trong Pythium splendens RBB-5 dựa trên phân tích điều hòa chuyển hóa

Springer Science and Business Media LLC - Tập 101 - Trang 3769-3780 - 2017
Liang Ren1,2,3,4, Pengpeng Zhou1,3,4, Yuanmin Zhu1,3,4, Ruijiao Zhang1,3,4, Longjiang Yu1,3,4
1Institute of Resource Biology and Biotechnology, Department of Biotechnology, College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China
2Department of Environmental and Bio-chemical Engineering, Wuhan Vocational College of Software and Engineering, Wuhan, China
3Key Laboratory of Molecular Biophysics, Ministry of Education, Wuhan, China
4Wuhan Institute of Biotechnology, Wuhan, China

Tóm tắt

Axit eicosapentaenoic (EPA) là một axit béo đa chưa bão hòa thiết yếu cho con người. Hiện tại, việc sản xuất các axit béo đa chưa bão hòa chuỗi dài có sẵn thương mại, chủ yếu từ cá thu hoạch ngoài biển, đang gặp khó khăn trong việc đáp ứng yêu cầu ngày càng gia tăng đối với EPA. Sản xuất EPA bằng vi sinh vật có thể là một phương pháp thay thế, hiệu quả và kinh tế. Nấm dầu Pythium splendens RBB-5 là nguồn EPA tiềm năng, nhờ vào các điều kiện nuôi cấy đơn giản mà năng suất cao có thể đạt được một cách dễ dàng. Trong nghiên cứu này, phân tích chuyển hóa lipid đã được thực hiện nhằm tăng cường sinh tổng hợp EPA trong Pythium splendens. Phân tích tổng hợp, điều hòa chuyển hóa và biểu hiện gen đã được tiến hành để làm rõ cơ chế sinh tổng hợp EPA, và hướng dẫn tối ưu hóa sản xuất EPA. Kết quả cho thấy con đường desaturase Δ6 là tuyến đường sinh tổng hợp chính của EPA trong sinh vật này, và các enzyme desaturase ∆6, ∆12 và Δ17 là những enzyme giới hạn tốc độ. Tất cả ba gen desaturase đã được giới thiệu riêng vào dòng cha để tăng cường dòng axit béo vào con đường desaturase Δ6. Sự biểu hiện tăng cường của các enzyme chính này, kết hợp với điều hòa chuyển hóa được cải thiện, đã dẫn đến năng suất tối đa 1,43 g/L trong dòng chuyển gen D12, điều này đại diện cho sự gia tăng gấp mười lần so với dòng cha trước khi tối ưu hóa. Đây là năng suất sản xuất EPA cao hơn đã được báo cáo cho một hệ thống vi sinh vật. Phát hiện của chúng tôi có thể cho phép sản xuất EPA ở quy mô công nghiệp, và chiến lược được áp dụng có thể được sử dụng để tăng cường sản xuất EPA hoặc các lipid khác trong vi sinh vật dầu mỡ.

Từ khóa

#axit eicosapentaenoic #Pythium splendens #sản xuất dầu mỡ #biến đổi gen #điều hòa chuyển hóa

Tài liệu tham khảo

Albert DH, Rhamy RK, Coniglio JG (1979) Desaturation of eicosa-11, 14-dienoic acid in human testes. Lipids 14(5):498–500. doi:10.1007/BF02533468 Bardon S, Le MT, Alessandri JM (1996) Metabolic conversion and growth effects of n-6 and n-3 polyunsaturated fatty acids in the T47D breast cancer cell line. Cancer Lett 99(1):51–58. doi:10.1016/0304-3835(95)04037-4 Cheng MH, Walker TH, Hulbert GJ, Raman DR (1999) Fungal production of eicosapentaenoic and arachidonic acids from industrial waste streams and crude soybean oil. Bioresour Technol 67(2):101–110 Dedyukhina EG, Chistyakova TI, Vainshtein MB (2011) Biosynthesis of arachidonic acid by micromycetes (review). Appl Biochem Micro 47(2):109–117. doi:10.1134/S0003683811020037 Domingo JL (2007) Omega-3 fatty acids and the benefits of fish consumption: is all that glitters gold? Environ Int 33(7):993–998. doi:10.1016/j.envint.2007.05.001 Farag MA, Huhman DV, Dixon RA, Sumner LW (2008) Metabolomics reveals novel pathways and differential mechanistic and elicitor-specific responses in phenylpropanoid and isoflavonoid biosynthesis in Medicago truncatula cell cultures. Plant Physiol 146(2):387–402. doi:10.1104/pp.107.108431 Higashiyama K, Fujikawa S, Park EY, Shimizu S (2002) Production of arachidonic acid by Mortierella fungi. Biotechnol Bioproc Eng 7(5):252–262. doi:10.1007/BF02932833 Hu JR (2011) Mutation breeding of high yielding strain of eicosapentaenoic acid and effect of citric acid on the lipid synthesis. Food and Fermentation Industries 37(2):46–49 Hu JR, Zhou PP, Zhu YM, Ren L, Yu LJ (2011) Isolation of eicosapentaenoic acid-producing fungi from soil based on PCR amplification. Zeitschrift Für Naturforschung C 66(7):429–433. doi:10.5560/ZNC.2011.66c0429 Jacobson TA (2008) Role of n-3 fatty acids in the treatment of hypertriglyceridemia and cardiovascular disease. Am J Clin Nutr 87(6):1981–1990 Jin MJ, Huang H, Xiao AH, Gao Z, Liu X, Peng C (2009) Enhancing arachidonic acid production by Mortierella alpina ME-1 using improved mycelium aging technology. Bioproc Biosyst Eng 32(1):117–122. doi:10.1007/s00449-008-0229-1 Li Q, Bai Z, O'Donnell A, Harvey LM, Hoskisson PA, McNeil B (2011) Oxidative stress in fungal fermentation processes: the roles of alternative respiration. Biotechnol Lett 33(3):457–467. doi:10.1007/s10529-010-0471-x Liu JM, Li DR, Yin YT, Wang H, Li MT, LJ Y (2011) ∆6-Desaturase from Mortierella alpina: cDNA cloning, expression, and phylogenetic analysis. Biotechnol Lett 33(10):1985–1991. doi:10.1007/s10529-011-0650-4 Livak KJ, Schmittgen TD (2001) Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2-△△CT method. Methods 25(4):402–408. doi:10.1006/meth.2001.1262 Manger MS, Strand E, Ebbing M, Seifert R, Refsum H, Nordrehaug JE, Nilsen DW, Drevon CA, Tell GS, Bleie O, Vollset SE, Pedersen ER, Nygard O (2010) Dietary intake of n-3 long-chain polyunsaturated fatty acids and coronary events in Norwegian patients with coronary artery disease. Am J Clin Nutr 92(1):244–251. doi:10.3945/ ajcn.2010.29175 Mullen A, Loscher CE, Roche HM (2010) Anti-inflammatory effects of EPA and DHA are dependent upon time and dose-response elements associated with LPS stimulation in THP-1-derived macrophages. J Nutr Biochem 21:444–450. doi:10.1016/j.jnutbio.2009.02.008 Napier JA, Michaelson LV, Sayanova O (2003) The role of cytochrome b5 fusion desaturases in the synthesis of polyunsaturated fatty acids. Prostag Leukotr Ess 68(2):135–143. doi:10.1016/S0952-3278(02)00263-6 Pardini RS (2006) Nutritional intervention with omega-3 fatty acids enhances tumor response to anti-neoplastic agents. Chem Biol Interact 162(2):89–105. doi:10.1016/j.cbi.2006.05.012 Park WJ, Kothapalli KSD, Lawrence P, Tyburczy C, Brenna JT (2009) An alternate pathway to long-chain polyunsaturates: the FADS2 gene product ∆8-desaturases 20:2 n-6 and 20:3 n-3. J Lipid Res 50(6):1195–1202. doi:10.1194/jlr.M800630-JLR200 Qu L, Ji XJ, Ren LJ, Nie ZK, Feng Y, WJ W, Ouyang PK, Huang H (2011) Enhancement of docosahexaenoic acid production by Schizochytrium sp. using a two-stage oxygen supply control strategy based on oxygen transfer coefficient. Lett Appl Microbiol 52(1):22–27. doi:10.1111/j.1472-765X.2010.02960.x Sayanova OV, Napier JA (2004) Eicosapentaenoic acid: biosynthetic routes and the potential for synthesis in transgenic plants. Phytochem 65:147–158. doi:10.1016/j.phytochem.2003.10.017 Su JY (2006) Nutrition and development tendency of soybean products. China Oils and Fats 31(8):40–41. doi:10.3321/j.issn:1003-7969.2006.08.012 Wang L, Chen W, Feng Y, Ren Y, ZN G, Chen HQ, Wang HC, Thomas MJ, Zhang BX, Berquin IM, Li Y, JS W, Zhang HX, Song YD, Liu X, Norris JS, Wang S, Du P, Shen JG, Wang N, Yang YL, Wang W, Feng L, Ratledge C, Zhang H, Chen YQ (2011) Genome characterization of the oleaginous fungus Mortierella alpina. PLoS One 6(12):e28319. doi:10.1371/journal.pone.0028319 Warude D, Joshi K, Harsulkar A (2006) Polyunsaturated fatty acids: biotechnology. Crit Rev Biotechnol 26(2):83–93. doi:10.1080/07388550600697479 Wen ZY, Chen F (2003) Heterotrophic production of eicosapentaenoic acid by microalgae. Biotechnol Adv 21:273–294. doi:10.1016/S0734-9750(03)00051-X Wu JL, Li XZ, Zhang HS, Wang J, Zhang XX (2012) Nutrition ingredient of soybean and its products. Farm Products Processing 8:53–56,77. doi:10.3969/j.issn.1671-9646(C).2012.08.001 Wynn JP, Hamid AA, Ratledge C (1999) The role of malic enzyme in the regulation of lipid accumulation in filamentous fungi. Microbiology 145(8):1911–1917. doi:10.1099/13500872-145-8-1911 Xue ZX, Sharpe PL (2013) Production of omega-3 eicosapentaenoic acid by metabolic engineering of Yarrowia lipolytica. Nature Bio 31(8):734–740. doi:10.1038/nbt.2622 Yazawa K (1996) Production of eicosapentaenoic acid from marine bacteria. Lipids 31(1):297–300. doi:10.1007/BF02637095 Yu LJ, Li W, Mei XG, Wu YN (1999) Study on improving the effect of metabolic pathway regulation on taxol biosynthesis. J Hua zhong Univ of Sci & Tech 27(4):100–103 Zhang Y, Ratledge C (2008) Multiple isoforms of malic enzyme in the oleaginous fungus, Mortierella alpina. Mycol Res 112(6):725–730. doi:10.1016/j.mycres.2008.01.003 Zhang RJ, Zhu YM, Ren L, Zhou PP, JR H, LJ Y (2013) Identification of a fatty acid D6-desaturase gene from the eicosapentaenoic acid-producing fungus Pythium splendens RBB-5. Biotechnol Lett 35(3):431–438. doi:10.1007/s10529-012-1101-6 Zhu M, Zhou PP, LJ Y (2002) Extraction of lipids from Mortierella alpina and enrichment of arachidonic acid from the fungal lipids. Bioresour Technol 84(1):93–95. doi:10.1016/S0960-8524(02)00028-7 Zhu YM, Zhou PP, JR H, Zhang RJ, Ren L, Li MT, Ning F, Chen W, LJ Y (2013) Characterization of Pythium transcriptome and gene expression analysis for different fermentation stage. PLoS One 8(6):e65552. doi:10.1371/journal.pone.0065552