سنتز کامل میکروبی کروستین و کروسین از گلیسرول در اشریشیا کلی

زمینه و هدف: کروسین، یک رنگدانه آپوکاروتنوئید گلیکوزیله که عمدتاً در زعفران یافت می‌شود، به دلیل خواص زیست فعال خود، علاقه قابل توجهی را در زمینه بیوتکنولوژی به خود جلب کرده است. تولید سنتی کروسین و آگلیکون آنها، کروستین، معمولاً شامل استخراج از گیاهان تولیدکننده کروسین است. این مطالعه با هدف ایجاد یک روش بیوسنتزی جایگزین برای این ترکیبات با مهندسی مسیرهای متابولیک زآگزانتین، کروستین و کروسین در سویه‌های اشریشیا کلی انجام شد. نتایج: با استفاده از یک سری تغییرات ژنتیکی و بیان استراتژیک آنزیم‌های کلیدی، ما با موفقیت یک مسیر میکروبی کامل برای سنتز کروستین و چهار مشتق گلیکوزیله کروستین، با استفاده از گلیسرول به عنوان منبع کربن اولیه ایجاد کردیم. بیان بیش از حد دیاکسیژناز برش زآگزانتین و یک نوع جدید از کروستین دی آلدئید دهیدروژناز منجر به بازده قابل توجه کروستین (1.03 ± 34.77 میلی گرم در لیتر) شد. بهینه سازی بیشتر شامل بیان بیش از حد انواع جدید کروستین و کروسین-2 گلیکوزیل ترانسفرازها بود که تولید کروسین-1 (19/0 ± 29/6 میلی گرم در لیتر)، کروسین-2 (24/0 ± 29/5 میلی گرم در لیتر)، کروسین-3 (48/1 ±) را تسهیل کرد. 0.10 میلی گرم در لیتر)، و کروسین-4 (0.13 ± 2.72 میلی گرم در لیتر). نتیجه‌گیری: این تحقیق یک روش سنتز میکروبی پیشگام و یکپارچه را برای تولید کروسین و مشتقات آن با استفاده از گلیسرول به عنوان یک ماده اولیه کربنی پایدار معرفی می‌کند. بازده قابل توجه به‌دست‌آمده، پتانسیل تجاری کروسین‌های مشتق شده از میکروبی را به عنوان جایگزینی سازگار با محیط زیست برای روش‌های استخراج گیاه برجسته می‌کند. توسعه این فرآیندهای میکروبی نه تنها دامنه تولید کروسین را گسترش می دهد، بلکه پیامدهای مهمی را برای بهره برداری از ترکیبات مهندسی زیستی در صنایع دارویی و غذایی پیشنهاد می کند.

Background: Crocin, a glycosylated apocarotenoid pigment predominantly found in saffron, has garnered significant interest in the field of biotechnology for its bioactive properties. Traditional production of crocins and their aglycone, crocetin, typically involves extraction from crocin-producing plants. This study aimed to develop an alternative biosynthetic method for these compounds by engineering the metabolic pathways of zeaxanthin, crocetin, and crocin in Escherichia coli strains. Results: Employing a series of genetic modifications and the strategic overexpression of key enzymes, we successfully established a complete microbial pathway for synthesizing crocetin and four glycosylated derivatives of crocetin, utilizing glycerol as the primary carbon source. The overexpression of zeaxanthin cleavage dioxygenase and a novel variant of crocetin dialdehyde dehydrogenase resulted in a notable yield of crocetin (34.77 ± 1.03 mg/L). Further optimization involved the overexpression of new types of crocetin and crocin-2 glycosyltransferases, facilitating the production of crocin-1 (6.29 ± 0.19 mg/L), crocin-2 (5.29 ± 0.24 mg/L), crocin-3 (1.48 ± 0.10 mg/L), and crocin-4 (2.72 ± 0.13 mg/L). Conclusions: This investigation introduces a pioneering and integrated microbial synthesis method for generating crocin and its derivatives, employing glycerol as a sustainable carbon feedstock. The substantial yields achieved highlight the commercial potential of microbial-derived crocins as an eco-friendly alternative to plant extraction methods. The development of these microbial processes not only broadens the scope for crocin production but also suggests significant implications for the exploitation of bioengineered compounds in pharmaceutical and food industries