Lutein klassificeras som en xantofyllkemikalie som är riklig i äggula, frukt och grönsaker. Det skyddar ögat från oxidativa skador från strålning och minskar risken för ögonsjukdomar inklusive makuladegeneration och grå starr. Kommersialiserade produkter med lutein härrör från extrakten av ringblomman, som är känd för att hysa rikliga mängder lutein. Nackdelen med luteinproduktion från naturen är dock att det tar lång tid att odla och skörda ringblommor. Dessutom kräver det ytterligare fysikalisk och kemiskt baserade extraktioner med lågt utbyte, vilket gör det ekonomiskt omöjligt med tanke på produktivitet. Den höga kostnaden och det låga utbytet av dessa bioprocesser har gjort det svårt att lätt möta efterfrågan på lutein.

Dessa utmaningar inspirerade metaboliska ingenjörer vid KAIST, inklusive forskarna Dr. Seon Young Park, Ph.D. Kandidaten Hyunmin Eun och den framstående professorn Sang Yup Lee från Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik. Teamets studie publicerades i Nature Catalysis den 5 augusti 2022.

Denna forskning beskriver förmågan att producera lutein från E. coli med ett högt utbyte med hjälp av en billig kolkälla, glycerol, via systemmetabolism. Forskargruppen fokuserade på att lösa flaskhalsarna i den biosyntetiska vägen för luteinproduktion konstruerad inom en enskild cell. För det första, med hjälp av systemmetabolism, som är en integrerad teknik för att konstruera metabolismen av en mikroorganism, producerades lutein när luteinbiosyntesvägen introducerades, om än i mycket små mängder.

För att förbättra produktiviteten av luteinproduktionen identifierades först flaskhalsenzymer inom den metaboliska vägen. Det visade sig att metaboliska reaktioner som involverar ett promiskuöst enzym, ett enzym som är involverat i två eller flera metaboliska reaktioner och elektronkrävande cytokrom P450-enzymer är de huvudsakliga flaskhalsstegen i den väg som hämmar luteinbiosyntesen.

För att övervinna dessa utmaningar användes substratkanalisering, en strategi för att artificiellt rekrytera enzymer i fysisk närhet inom cellen för att öka de lokala koncentrationerna av substrat som kan omvandlas till produkter, för att kanalisera mer metaboliskt flöde mot målkemikalien samtidigt som bildning av oönskade biprodukter.

Dessutom användes elektronkanalisering, en strategi som liknar substratkanalisering men som skiljer sig när det gäller att öka de lokala koncentrationerna av elektroner som krävs för oxidoreduktionsreaktioner medierade av P450 och dess reduktaspartners, för att ytterligare effektivisera det metaboliska flödet mot luteinbiosyntes, vilket ledde till högsta titer av luteinproduktion uppnådd i en bakterievärd som någonsin rapporterats. Samma elektronkanaliseringsstrategi tillämpades framgångsrikt för produktion av andra naturliga produkter, inklusive nootkatone och apigenin i E. coli, vilket visar strategins allmänna tillämpbarhet inom forskningsfältet.

"Det förväntas att denna mikrobiella cellfabriksbaserade produktion av lutein kommer att kunna ersätta den nuvarande växtextraktionsbaserade processen", säger Dr Seon Young Park, den första författaren till uppsatsen. Hon förklarade att en annan viktig punkt i forskningen är att integrerade metaboliska ingenjörsstrategier som utvecklats från denna studie kan vara allmänt tillämpliga för effektiv produktion av andra naturliga produkter användbara som läkemedel eller nutraceuticals.

"Eftersom bibehållandet av god hälsa i ett åldrande samhälle blir allt viktigare, förväntar vi oss att den teknik och de strategier som utvecklas här kommer att spela en avgörande roll för att producera andra värdefulla naturliga produkter av medicinsk eller näringsmässig betydelse", förklarade den framstående professorn Sang Yup Lee. + Utforska vidare

Naturliga regnbågsfärgämnen mikrobiellt framställda