Metabolic Engineering for Efficient Ketocarotenoid Accumulation in the Green Microalga <i>Chlamydomonas reinhardtii</i>

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作者
Sofia Amendola,Jacob S Kneip,Florian Meyer,Federico Perozeni,Stefano Cazzaniga,Kyle J. Lauersen,Matteo Ballottari,Thomas Baier
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:12 (3): 820-831
标识
DOI:10.1021/acssynbio.2c00616
摘要

Astaxanthin is a valuable ketocarotenoid with various pharmaceutical and nutraceutical applications. Green microalgae harbor natural capacities for pigment accumulation due to their 2-C-methyl-d-erythritol 4-phosphate (MEP) pathway. Recently, a redesigned ß-carotene ketolase (BKT) was found to enable ketocarotenoid accumulation in the model microalga Chlamydomonas reinhardtii, and transformants exhibited reduced photoinhibition under high-light. Here, a systematic screening by synthetic transgene design of carotenoid pathway enzymes and overexpression from the nuclear genome identified phytoene synthase (PSY/crtB) as a bottleneck for carotenoid accumulation in C. reinhardtii. Increased ß-carotene hydroxylase (CHYB) activity was found to be essential for engineered astaxanthin accumulation. A combined BKT, crtB, and CHYB expression strategy resulted in a volumetric astaxanthin production of 9.5 ± 0.3 mg L-1 (4.5 ± 0.1 mg g-1 CDW) in mixotrophic and 23.5 mg L-1 (1.09 mg L-1 h-1) in high cell density conditions, a 4-fold increase compared to previous reports in C. reinhardtii. This work presents a systematic investigation of bottlenecks in astaxanthin accumulation in C. reinhardtii and the phototrophic green cell factory design for competitive use in industrial biotechnology.
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