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プラスミドpCRT01の生体内での作製とその利用による産業廃棄物で効率的に生育するカロテノイド産生パラコッカス株の構築
In vivo creation of plasmid pCRT01 and its use for the construction of carotenoid-producing Paracoccus spp. strains that grow efficiently on industrial wastes.
PMID: 32660485 DOI: 10.1186/s12934-020-01396-z.
抄録
背景:
カロテノイドは天然のテトラテルペン色素であり、食品、医薬品、化粧品などの分野で広く利用されている。現在、これらの化合物の化学合成は、大腸菌や酵母での生産効率に限界があるため、大腸菌や酵母での生産よりも優れています。パラコッカス属（アルファプロテオバクテリア）の細菌のような天然微生物カロテノイド生産者の使用は、このプロセスを最適化するのに役立つ可能性があります。これらの色素を合成する能力とパラコッカス属の代謝の多様性を組み合わせるために、我々は、単純な低コストの培地で効率的に成長できる株にカロテノイド合成遺伝子を導入する可能性を探った。
BACKGROUND: Carotenoids are natural tetraterpene pigments widely utilized in the food, pharmaceutical and cosmetic industries. Currently, chemical synthesis of these compounds outperforms their production in Escherichia coli or yeast due to the limited efficiency of the latter. The use of natural microbial carotenoid producers, such as bacteria of the genus Paracoccus (Alphaproteobacteria), may help to optimize this process. In order to couple the ability to synthesize these pigments with the metabolic versatility of this genus, we explored the possibility of introducing carotenoid synthesis genes into strains capable of efficient growth on simple low-cost media.
結果:
我々は、カロテノイド合成遺伝子crtを含むプラスミドpCRT01を担持したパラコッカスのカロテノイド産生株を2株作製した。このプラスミドは、ｃｒｔを担持したベクターｐＡＢＷ１と天然の「パラコッカス」プラスミドｐＡＭＩ２との間の不正な組換えにより、生体内で作製された。その結果、得られた融合レプリコンは、抗生物質の選択を必要とせずに細菌集団内で安定的に維持される。パラコッカスアミノフィルスとパラコッカスコンドラティベーの急速に成長する"無色"株にpCRT01を導入すると、カロテンとキサントフィルの両方の範囲の効率的な生産者にそれらを変換しました。生産された色素の正確なプロファイルは、株の遺伝的背景に依存していた。このシステムでのカロテノイド生産コストを低減するために、スクロースを豊富に含む糖蜜を添加した生産業廃液（石炭火力発電所排煙脱硫廃液）を含む様々な単純な培地を用いて、2つの株の成長と色素合成効率を試験した。
RESULTS: We constructed two carotenoid-producing strains of Paracoccus carrying a new plasmid, pCRT01, which contains the carotenoid synthesis gene locus crt from Paracoccus marcusii OS22. The plasmid was created in vivo via illegitimate recombination between crt-carrying vector pABW1 and a natural "paracoccal" plasmid pAMI2. Consequently, the obtained fusion replicon is stably maintained in the bacterial population without the need for antibiotic selection. The introduction of pCRT01 into fast-growing "colorless" strains of Paracoccus aminophilus and Paracoccus kondratievae converted them into efficient producers of a range of both carotenes and xanthophylls. The exact profile of the produced pigments was dependent on the strain genetic background. To reduce the cost of carotenoid production in this system, we tested the growth and pigment synthesis efficiency of the two strains on various simple media, including raw industrial effluent (coal-fired power plant flue gas desulfurization wastewater) supplemented with molasses, an industrial by-product rich in sucrose.
結論:
本研究では、パラコッカス菌株間で色素合成遺伝子をプラスミドを介して単一の株に導入することで、カロテノイド産生菌株を構築する新しいアプローチを実証した。この戦略は、合成効率、色素プロファイル、および低コストの産業廃棄物ベースの培地での生育能力の点で生産者株のスクリーニングを容易にし、カロテノイドの微生物生産の費用対効果を高めるはずである。
CONCLUSIONS: We demonstrated a new approach for the construction of carotenoid-producing bacterial strains which relies on a single plasmid-mediated transfer of a pigment synthesis gene locus between Paracoccus strains. This strategy facilitates screening for producer strains in terms of synthesis efficiency, pigment profile and ability to grow on low-cost industrial waste-based media, which should increase the cost-effectiveness of microbial production of carotenoids.