Luteïne is geclassificeerd als een xanthofyl-chemische stof die overvloedig aanwezig is in eigeel, fruit en groenten. Het beschermt het oog tegen oxidatieve schade door straling en vermindert het risico op oogziekten, waaronder maculaire degeneratie en cataracten. Gecommercialiseerde producten met luteïne zijn afgeleid van de extracten van de goudsbloembloem, waarvan bekend is dat deze overvloedige hoeveelheden luteïne bevat. Het nadeel van luteïneproductie uit de natuur is echter dat het lang duurt om goudsbloembloemen te kweken en te oogsten. Bovendien vereist het extra fysische en chemische extracties met een lage opbrengst, wat het economisch onhaalbaar maakt in termen van productiviteit. De hoge kosten en lage opbrengst van deze bioprocessen hebben het moeilijk gemaakt om gemakkelijk aan de vraag naar luteïne te voldoen.

Deze uitdagingen inspireerden de metabole ingenieurs van KAIST, waaronder onderzoekers Dr. Seon Young Park, Ph.D. Kandidaat Hyunmin Eun en Distinguished Professor Sang Yup Lee van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering. De studie van het team is gepubliceerd in Nature Catalysis op 5 augustus 2022.

Dit onderzoek beschrijft het vermogen om luteïne uit E. coli met een hoge opbrengst te produceren met behulp van een goedkope koolstofbron, glycerol, via systeemmetabolische engineering. De onderzoeksgroep richtte zich op het oplossen van de knelpunten van de biosynthetische route voor de productie van luteïne die in een individuele cel is geconstrueerd. Ten eerste, met behulp van systeemmetabolische engineering, een geïntegreerde technologie om het metabolisme van een micro-organisme te ontwikkelen, werd luteïne geproduceerd toen de luteïne-biosyntheseroute werd geïntroduceerd, zij het in zeer kleine hoeveelheden.

Om de productiviteit van de luteïneproductie te verbeteren, werden eerst de bottleneck-enzymen binnen de metabole route geïdentificeerd. Het bleek dat metabole reacties waarbij een promiscue enzym betrokken is, een enzym dat betrokken is bij twee of meer metabolische reacties, en elektronen-vereisende cytochroom P450-enzymen de belangrijkste bottleneck-stappen zijn van de route die de biosynthese van luteïne remt.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, werd substraat-channeling, een strategie om kunstmatig enzymen in fysieke nabijheid in de cel te rekruteren om de lokale concentraties van substraten die in producten kunnen worden omgezet, te verhogen, gebruikt om meer metabolische flux naar de beoogde chemische stof te kanaliseren en tegelijkertijd de vorming van ongewenste bijproducten.

Verder werd elektronenkanalisatie, een strategie die vergelijkbaar is met substraatkanalisatie maar die verschilt in termen van het verhogen van de lokale concentraties van elektronen die nodig zijn voor oxidatiereductiereacties gemedieerd door P450 en zijn reductasepartners, toegepast om de metabole flux naar luteïnebiosynthese verder te stroomlijnen, wat leidde tot de hoogste titer van luteïneproductie bereikt in een bacteriële gastheer ooit gerapporteerd. Dezelfde strategie voor elektronenkanalisatie werd met succes toegepast voor de productie van andere natuurlijke producten, waaronder nootkatone en apigenine in E. coli, wat de algemene toepasbaarheid van de strategie in het onderzoeksveld aantoont.

"Naar verwachting zal deze op microbiële celfabriek gebaseerde productie van luteïne het huidige op plantenextractie gebaseerde proces kunnen vervangen", zei Dr. Seon Young Park, de eerste auteur van het artikel. Ze legde uit dat een ander belangrijk punt van het onderzoek is dat geïntegreerde strategieën voor metabolische engineering die uit dit onderzoek zijn ontwikkeld, algemeen toepasbaar kunnen zijn voor de efficiënte productie van andere natuurlijke producten die nuttig zijn als farmaceutica of nutraceuticals.

"Omdat het behouden van een goede gezondheid in een vergrijzende samenleving steeds belangrijker wordt, verwachten we dat de hier ontwikkelde technologie en strategieën een cruciale rol zullen spelen bij het produceren van andere waardevolle natuurlijke producten van medisch of voedingsbelang", legt Distinguished Professor Sang Yup Lee uit. + Verder verkennen

Natuurlijke regenboogkleurstoffen microbieel geproduceerd