近期，我校生物工程学院白仲虎教授团队在番茄红素的分泌方面取得重要进展，研究成果“Improved membrane permeability via hypervesiculation for in situ recovery of lycopene in Escherichia coli”正式发表于ACS Synthetic Biology (IF = 5.249) (https://doi.org/10.1021/acssynbio.3c00306)。
番茄红素是一种无环四萜（C40），是一种长的亲脂性化合物，能使番茄、番石榴和西瓜等植物呈现出独特的红色。番茄红素具有高氧化活性，在功能性食品、化妆品和制药行业中常被用作抗衰老、抗炎和抗氧化剂。从植物来源提取番茄红素不能满足当前的工业需求，微生物发酵法成为有潜力的绿色制造方法。番茄红素的提取依赖有机相或提取剂从细胞膜中提取存在提取不完全、工艺繁琐的的问题。因此，对提取剂易于渗透的细胞膜进行工程设计有助于实现具有竞争力的番茄红素生产。
白仲虎教授团队针对番茄红素无法从生产底盘中分泌出来其生物合成经常受下游加工的严重阻碍，工程改造细胞膜通过细胞产外膜囊泡分泌疏水性化合物番茄红素以解决问题。为了提高番茄红素的释放率，开发了一种高通透性大肠杆菌菌株。首先，将来自谷氨酸棒杆菌的异源甲羟戊酸途径和crtEBI基因在大肠杆菌BL21（DE3）中过表达，用于番茄红素的合成。然后，为了确保原位番茄红素的分泌，删除了TolA-TolQ-TolR中的脂蛋白Lpp、脂蛋白NlpI、内膜渗透酶蛋白mlaE和膜锚定蛋白tolA，以改善膜通透性。最终，菌株LYC-8在补料分批发酵中产生了438.44±8.11mg/L和136.94±8.11mg/L的细胞外和细胞内番茄红素。分泌的外膜囊泡的扫描电镜分析、蛋白质组学和脂质组学分析都显示了外膜囊泡的生成。饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸和环丙烷脂肪酸以及支链和酰基链长度的比例变化，显示改变了膜脂肪酸的组成。这些基因的组合缺失改变了细胞形态，确保了番茄红素原位释放的膜流动性和通透性。细胞在形状、大小和长度的结构和形态变化与细胞包膜的机械强度变化有关。本研究通过生产外膜囊泡提高膜通透性介导增强番茄红素生产和分泌，为亲脂性化合物的有效释放和下游加工建立了一个无细胞裂解系统，证明了细胞囊泡化提高膜通透性在有效生产番茄红素中的重要性。
图形摘要
刘春立副研究员为论文的通讯作者，我校2019级博士生Eric Fordjour为第一作者。上述研究得到了国家自然科学基金（32200092, 21938004），国家重点研发计划（2021YFC2100203）等资助。
近年来白仲虎教授团队专注于合成生物学、生物医药和生物反应器领域的研究并取得丰硕成果，相关研究成果已发表在Nature Catalysis (2023)、Biotechnology and Bioengineering (2023)、ACS Synthetic Biology (2022、2023)等本领域权威期刊。
