Группа исследователей из KAIST успешно разработала микробный штамм, способный производить лютеин на промышленно значимом уровне. Под руководством выдающегося профессора Сан Юпа Ли из Департамента химической и биомолекулярной инженерии команда разработала новый штамм C. glutamicum, используя стратегии системного метаболического инжиниринга, чтобы преодолеть ограничения предыдущих попыток производства микробного лютеина.
Ожидается, что это исследование будет полезно для эффективного производства других промышленно важных натуральных продуктов, используемых в пищевой промышленности, фармацевтике и косметике. Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s44160-025-00826-3) в журнале Nature Synthesis.
Лютеин: роль и производство
Лютеин — это ксантофилл-каротиноид, который содержится в яичном желтке, фруктах и овощах. Он известен своей ролью в защите глаз от окислительного стресса и снижении риска дегенерации жёлтого пятна и катаракты.
В настоящее время коммерческий лютеин преимущественно извлекают из бархатцев, однако этот подход имеет ряд недостатков, включая длительное время культивирования, высокие затраты на рабочую силу и неэффективные выходы экстракции, что делает его экономически нецелесообразным для крупномасштабного производства.
Инженерная разработка микробного штамма
Для решения этих проблем исследователи KAIST, включая кандидата наук Хёнмина уна, доктора Синди Прицилию Сурью Прабхово и выдающегося профессора Сан Юпа Ли, применили стратегии системного метаболического инжиниринга для разработки C. glutamicum — микроорганизма GRAS (Generally Recognized As Safe), широко используемого в промышленной ферментации.
В отличие от Escherichia coli, которая ранее использовалась для производства микробного лютеина, C. glutamicum не содержит эндотоксинов, что делает его более безопасным и жизнеспособным вариантом для применения в пищевой промышленности и фармацевтике.
Исследование описывает производство лютеина на высоком уровне с использованием глюкозы в качестве возобновляемого источника углерода через системный метаболический инжиниринг. Команда сосредоточилась на устранении метаболических узких мест, которые ранее ограничивали синтез микробного лютеина.
Для повышения производительности были идентифицированы и оптимизированы ферменты, ограничивающие процесс. Было установлено, что цитохромы P450, требующие электронов, играют важную роль в ограничении синтеза лютеина. Для преодоления этого ограничения была реализована стратегия переноса электронов, при которой сконструированные цитохромы P450 и их партнёры-редуктазы были пространственно организованы на синтетических каркасах, что позволило более эффективно переносить электроны и значительно увеличить производство лютеина.
Оптимизированный штамм C. glutamicum был дополнительно оптимизирован в условиях периодической ферментации с подпиткой, достигнув рекордного уровня производства лютеина — 1,78 г/л за 54 часа, с содержанием 19,51 мг/гDCW и производительностью 32,88 мг/л/ч — это самый высокий показатель производства лютеина среди всех известных на сегодняшний день хостов.
«Мы можем ожидать, что массовое производство лютеина на основе микробных клеточных фабрик сможет заменить текущий процесс экстракции из растений», — сказал кандидат наук Хёнмин Ун. Он подчеркнул, что разработанные в этом исследовании стратегии интегрированного метаболического инжиниринга могут быть широко применены для эффективного производства других ценных натуральных продуктов, используемых в фармацевтике и нутрицевтике.
«Поскольку поддержание хорошего здоровья в стареющем обществе становится всё более важным, мы ожидаем, что разработанные здесь технологии и стратегии будут играть ключевую роль в производстве других значимых с медицинской и питательной точки зрения натуральных продуктов», — добавил выдающийся профессор Сан Юп Ли.
Предоставлено [The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)](https://phys.org/partners/the-korea-advanced-institute-of-science-and-technology–kaist-/)