ヘキソキナーゼ(Hxk)とヒドロキシメチルグルタリル-CoA合成酵素(Erg13)の過剰発現による前駆体物質の合成促進により、工学的にβ-カロテンの生成を促進することを明らかにした

Promoting the Synthesis of Precursor Substances by Overexpressing Hexokinase (Hxk) and Hydroxymethylglutaryl-CoA Synthase (Erg13) to Elevate β-Carotene Production in Engineered .

• Shan Qiang
• Jing Wang
• Xiao Chao Xiong
• Yu Ling Qu
• Liang Liu
• Ching Yuan Hu
• Yong Hong Meng

抄録

貴重なカロテノイドとして、β-カロテンは食品、化粧品、動物飼料などに商業的に利用されています。β-カロテンの生産を向上させるために、微生物の代謝工学が広く研究されています。本研究では、従来のメバロネート（MVA）やβ-カロテンの生合成経路を中心とした遺伝子改変と比較して、ヘキソキナーゼやヒドロキシメチルグルタリル-CoA合成酵素を過剰発現させた微生物を用いて前駆体の合成を促進することで、β-カロテンの生産量を増加させることを目的としています。本研究では、ユニークなヘキソキナーゼ遺伝子()の過剰発現がβ-カロテン蓄積とグルコース消費に及ぼす影響を調べた。この遺伝子をβ-カロテン生産株Y.L-1に導入してY.L-2を生成したところ、β-カロテン含量が98%増加した。この遺伝子を過剰発現させると、対照株Y.L-1と比較して、ヘキソキナーゼ活性が329%上昇し、グルコース-6-リン酸含量が92%上昇し、転写レベルが315%向上した。さらに、過剰発現によりグルコースの利用率が促進された。また、ヒドロキシメチルグルタリル-CoA合成酵素をコードする遺伝子を過剰発現させ、β-カロテン生合成のための前駆体供給量を増加させた。また、2つのコピーを持つ組換え体Y.L-4は、Y.L-1と比較して259%高い8.41mg/gのβ-カロテンを産生した。Y.L-6株では、染色体に組み込んで過剰発現させることで、9.56 mg/g DCWのβ-カロテン含量を達成した。また、2コピーの遺伝子を過剰発現させることにより、細胞内の3-ヒドロキシ-3-メチルグルタリル-CoA含量を増加させることができた。以上のことから、遺伝子を過剰発現させることでβ-カロテンの生産量を向上させることができ、前駆体生成のボトルネックを克服し、より効率的な目的物の生産経路を構築することが可能となった。本研究成果は、β-カロテン合成経路の新規設計戦略を明らかにしたものである。

As a valuable carotenoid, β-carotene is commercially used in food, cosmetics, animal feeds, and other industries. Metabolic engineering of microorganisms has been widely explored to improve the production of β-carotene. Compared with the traditional genetic modifications mainly focused on the pathways of mevalonate (MVA) and β-carotene biosynthesis, this study aims to increase the β-carotene production through promoting the synthesis of precursor substances by overexpressing hexokinase and hydroxymethylglutaryl-CoA synthase in an engineered . In this study, we investigated the effect of the unique hexokinase gene () overexpression on β-carotene accumulation and glucose consumption. The gene was introduced into a β-carotene producing strain Y.L-1 to generate strain Y.L-2, and this increased the β-carotene content by 98%. Overexpression of the gene led to increasing in hexokinase activity (329% higher), glucose-6-phosphate content (92% higher), and improvement of the transcriptional level of (315% higher) compared to the control Y.L-1 strain. Moreover, overexpression accelerated the utilization rate of glucose. The gene encoding hydroxymethylglutaryl-CoA synthase was also overexpressed to increase the precursor supply for β-carotene biosynthesis. Recombinant Y.L-4 harboring two copies of produced 8.41 mg/g dry cell weight (DCW) of β-carotene, which was 259% higher than Y.L-1. The β-carotene content of 9.56 mg/g DCW was achieved in strain Y.L-6 by integrating into the chromosome and overexpression. The 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-CoA content in the cells was increased by overexpressing two copies of the gene. Finally, the titer of β-carotene reached 2.4 g/L using a 50 L bioreactor by the engineered strain, and the fermentation cycle was shortened from 144 to 120 h. Overall, overexpression of and could improve β-carotene production and successfully overcoming the bottleneck of precursor generation to support a more efficient pathway for the production of the target product. Our results revealed a novel strategy to engineer the pathway of β-carotene synthesis.

Copyright © 2020 Qiang, Wang, Xiong, Qu, Liu, Hu and Meng.