虾青素（3,3'-二羟基-β,β-胡萝卜素-4,4'-二酮）是迄今发现的最强天然抗氧化剂之一，其活性远超维生素E（达500倍以上）。它具有卓越的抗氧化、抗癌、保护心血管、增强免疫等健康功效，已广泛应用于动物饲料、保健食品、化妆品及医疗制剂领域。

虾青素全球市场潜力巨大（2022年产值37亿美元，预计2032年将达110亿美元，年复合增长率11.9%），并已获欧盟（膳食补充剂）、美国FDA（饲料着色剂）及中国（食品/饲料添加剂）等多个国家监管批准。天然虾青素主要来源于雨生红球藻和红法夫酵母。

其中，红法夫酵母被公认为工业化生产的优质菌株（中国农业部已批准其用于饲料）。相较于红球藻，红法夫酵母具有发酵高效、成本低廉、提取便捷、应用直接的显著优势。

红法夫酵母的低温发酵（20-22℃）一直是限制其产业化生产虾青素的主要瓶颈之一，其生产能耗占整个生产工艺的30-50%左右。

【SynBioCon】获悉，近日，南京工业大学姜岷和信丰学教授团队在国际知名期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》上发表了题为“Breeding of a mesophilic Xanthophyllomyces dendrorhous mutant for industrial astaxanthin production and mechanism analysis on the temperature tolerance”的研究。该论文成功选育出一种能在常温（25°C）下高效、稳定合成物虾青素的红法夫酵母突变菌株 LX6，并在多个维度系统阐明了其耐温和高产虾青素的机制，为虾青素的低成本工业化生产奠定了基础。

图1. 通过EMS-NTG组合诱变和DPA琼脂高效选育在25 °C下高效合成虾青素的红发夫酵母突变体

核心突破亮点：

1）卓越菌株创制。研究团队首次开发了多轮复合诱变和梯度提升筛选策略，成功选育出红法夫酵母突变株LX6；与出发菌株相比，突变菌株在25°C生物量提升2.5倍，虾青素产量提高6.1倍，虾青素含量提高2.5倍。

图2. 原始菌株和突变菌株酵母形态、细胞膜组成、ROS 水平和辅因子系统的比较分析

2）温度耐受机制解析。从细胞形态、膜系统、氧化应激及能量代谢多个维度进行了系统分析。突变株LX6在25°C下细胞结构更完整，表面更光滑；LX6细胞膜中不饱和脂肪酸比例激增2.8倍，显著增强膜流动性，为虾青素的合成与积累提供了更有利的微环境；LX6胞内活性氧（ROS）水平、ATP及NADPH浓度均发生显著变化，为虾青素合成和菌株耐温提供了充足的能量供应与更优的氧化还原稳态；

图3. 突变菌株全基因组测序及关键突变基因和酶分析

3）基因元件挖掘。基于比较基因组学分析，鉴定四个核心突变基因：IDH2 (异柠檬酸脱氢酶)、HMGR (羟甲基戊二酰辅酶A还原酶)、CRTYB (番茄红素β-环化酶) 和 FAD3 (脂肪酸去饱和酶)。利用AlphaFold精准预测原始酶与突变酶的三维结构。Autodock分子对接分析表明HMGR和CRTYB的突变导致其底物结合口袋发生有利构变，从而显著强化虾青素合成通路。分子动力学（MD）模拟证实，突变酶 IDH2 和 FAD3 在25°C下展现出高于原始酶的构象稳定性，可能是LX6获得优异温度耐受性的核心分子基础。

图4. 使用 RT-qPCR 对原始菌株和突变菌株的全局基因转录水平进行比较分析

4）全局转录调控：相较于原始菌株，LX6中涉及虾青素合成、TCA循环、脂质代谢、氨基酸代谢及辅因子代谢等关键通路的基因表达谱发生广泛而显著的重编程，为LX6耐温高产表型提供了系统性的转录调控机制。

图5. 在25℃条件下菌株LX6在200 L生物反应器中利用低成本底物实现虾青素高水平合成

5）工业化验证：LX6在25°C、200-L生物反应器中可利用甜高粱汁合成1120 mg/L虾青素，含量达14.1 mg/g —创造了红法夫酵母生产虾青素的新纪录，且生产能耗降低34.2%，显著降低生产成本。

姜岷和信丰学教授团队的这项研究，不仅成功创制了具有里程碑意义的常温高产虾青素酵母菌株LX6，并多维度阐明了其耐温高产的机制，为虾青素等萜烯类高值天然产物的节能、低碳、低成本工业化生物制造提供了技术借鉴与科学指导。该研究得到国家重点研发合成生物学重点专项、基金委面上、江苏省杰出青年基金等项目资助。南京工业大学博士研究生周大伟为论文第一作者，南京工业大学章文明和信丰学教授为共同通讯作者。

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