辣椒红素是辣椒果实中发现的一种特有的红色类胡萝卜素，被广泛用作食品添加剂和功能性着色剂，是全球不断增长的类胡萝卜素市场上最重要的化合物之一。尽管辣椒素的消费量很大，但自然界中只有少量高等植物存在辣椒素：辣椒、百合、七叶树、小檗属和天冬笋。近年来，研究人员对微生物工业化生产类胡萝卜素的兴趣不断增长，但迄今为止还没有关于辣椒红素的微生物生产路线(无论是天然的还是工程的)的报道。近日来自日本国立先进工业科学技术研究院（AIST）生物生产研究所的MaikoFurubayashi等人在JournalofAgriculturalandFoodChemistry上发表的“CapsanthinProductioninEscherichiacolibyOverexpressionofCapsanthin/CapsorubinSynthasefromCapsicumannuum”利用类胡萝卜素途径在大肠杆菌中首次成功尝试了生物合成辣椒素。植物中的类胡萝卜素通常是通过叶黄素/紫黄质途径在光合作用组织的叶绿体中产生的，20世纪90年代时，研究人员从甜椒及百合等植物中发现了一种名为辣椒红素合成酶(CCS)的酶，该酶催化花黄素转化为辣椒红素以及紫黄质转化为辣椒红素，CCS蛋白与CRTL型番茄红素环化酶(如植物番茄红素β环化酶LCYb或ε环化酶LCYe)序列相似，因此除具有辣椒红素合成酶的催化活性外，还具有部分番茄红素β环化酶的催化活性。尽管对CCS基因进行了鉴定，但目前还没有关于微生物异源生产辣椒素的研究报道。值得注意的是，几乎所有植物来源的类胡萝卜素都可以在微生物中产生，甚至辣椒红素的直接前体花黄素和紫黄素已经可以在大肠杆菌或酵母中表达，因此，利用微生物合成辣椒红素在理论上是可行的。文章中，作者通过表达来自土壤细菌(PantoeaAnanatis)的5个玉米黄质生物合成基因(crtE、crtB、crtI、crty和crtZ)和来自绿藻(雨生红球藻)的异戊烯基二磷酸异构酶(Idi)基因，以及分别编码两种酶—玉米黄质环氧化酶(Zep)和青霉的CCS(CaZEP和CaCCS)的基因来尝试在大肠杆菌BL21(DE3)中表达辣椒红素。最初作者试图共表达辣椒素生物合成所需的上述酶基因，但没有检测到辣椒红素产物，猜测可能是因为CCS具有的番茄红素β环化酶和辣椒红素合成酶的双重活性使这一任务变得复杂。随后，作者采取了两个措施使辣椒红素得以成功生产，一是使CaCCS高效表达，选择了常用于过度表达蛋白质的高拷贝PUC载体，并利用强启动子PtacI和强RBS序列，成功在大肠杆菌中生产了辣椒红素。二是使辣椒红素的直接底物—花青素/紫黄素有效积累，作者比较了截短CaZEP和AtZEP用于叶绿体定位的N端转运肽对紫黄素生产的影响。对于AtZEP，选择了59aa的截断点，对于CaZEP，选择了56aa的截断点，将AtZEPM59和CaZEPM56基因分别置于pUC载体上的Ptac启动子下游，将质粒导入含有其他基因表达质粒的大肠杆菌，然后进行培养和类胡萝卜素分析。结果表明，AtZEP的N端截短导致总类胡萝卜素略有增加，对于CaZEP，非截短的全长CaZEP导致紫黄质的高效生产，而N-末端的截断导致效率降低。此外，为了最大化酶表达，作者还将CaZEP和CaCCS基因一同放置在PUC载体上，与pACHP-Zea共表达，并将CaCCS截短，在紫黄素峰和花黄素峰之间11min处产生的峰表明有辣椒红素生成，且峰值略有增加。值得注意的是，无论作者采取何种措施，辣椒素的最大产量都保持在0.5mg/L左右，这表明辣椒红素合成酶能力在大肠杆菌中保持平稳，改变底物(花黄素/紫黄素)浓度对辣椒红素的形成影响不大，因此为了提高微生物生产辣椒红素的能力，研究人员还需更深层次的探索。（李子佳摘译）licme