$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

미생물에 의한 카로티노이드 생산; 생물학적 기능성 및 상업적 적용

Microbial Production of Carotenoids: Biological Functions and Commercial Applications

생명과학회지 = Journal of life science, v.27 no.6 = no.206, 2017년, pp.726 - 737  

서용배 (부경대학교 미생물학과) ,  김군도 (부경대학교 미생물학과)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

Carotenoid는 isoprenoid 화합물로써 3-15개의 이중 결합이 결합된 긴 polyene 구조를 가지며, 이러한 구조적 특성에 의해 최대 흡수파장대가 결정된다. 카로티노이드는 전형적으로 $C_{40}$ 탄화수소 골격으로 이루어져 있으며, 그 중에는 산소를 포함하고 있는 작용기로 인해 cyclic 또는 acyclic의 크산토필을 형성하기도 한다. 현재 대부분의 세계 시장을 점유하고 있는 합성 카로티노이드의 대안을 찾기 위해 천연물(식물, 미생물, 갑각류 부산물) 유래의 카로티노이드를 생산 및 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그럼에도 불구하고, 오직 몇몇 카로티노이드(${\beta}-carotene$, lycopene, astaxanthin, canthaxanthin, lutein)만이 천연물 소재에서 분리 또는 발효되어 상업적으로 이용된다. 카로티노이드가 만성질환 예방 및 발암 억제 작용에 효과가 있음이 밝혀지면서 카로티노이드 시장이 급격히 증가하였다. 사료, 기능성 식품 및 의약품 소재로써의 카로티노이드의 중요성이 증가함에 따라 카로티노이드 생산법에 대한 연구가 진행되었으며, 이러한 관점에서 미생물 및 식물을 이용한 대사공학적 접근법에 의한 카로티노이드 대량생산법을 개발하게 되었다. 본 논문에서는 생산 균주, 대사공학 적용에 따른 대량 생산 방법, 생물학적 작용기전 및 산업적 이용을 중심으로 설명하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Carotenoids are isoprenoids with a long polyene chain containing 3 to 15 conjugated double bonds, which determines their absorption spectrum. They typically consist of a $C_{40}$ hydrocarbon backbone often modified by different oxygen-containing functional groups, to yield cyclic or acycl...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 두 번째 단계로는 카로티노이드가 실질적으로 합성이 되는 단계로써 탄소 5개의 DMAPP 한 분자에 IPP 세분자를 연속적으로 첨가 시키는 CrtE (geranylgeranyl pyrophosphate synthase) 효소의 촉매반응에 의해 탄소 20개의 diterpene 물질인 GGPP (geranylgeranyl pyrophosphate)가 만들어지는 단계이다. 본 논문에서는 본 저자에 의해 연구된 P. haeundaensis의 astaxanthin 생합성 경로를 중점으로 카로티노이드 생합성경로를 설명하고자 하며, 그 내용은 다음과 같다. CrtE 효소의 촉매반응에 의해 생합성된 GGPP를 기질로 CrtB (phytoen synthase)가 두 분자의 GGPP 중합반응을 촉매하여 탄소 40개의 phytoene을 합성한다.
  • 이처럼 다양한 방면에서 산업적으로 이용되는 카로티노이드를 본 논문에서는 생산 미생물, 대량 생산을 위한 대사공학적 기법 적용, 생물학적 작용기전 및 산업적 이용을 중심으로 설명하고자 한다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
벼 종자에서 카로티노이드 함량 증대를 위해 합성경로에 필요한 여러 다른 유전자를 PSY유전자와 함께 발현시켜야하는 이유는 무엇인가? 이 결과는 카로티노이드 생산이 CrtB 효소에 의해 생합성되는 phytoene 단계에만 영향을 미치는 것이 아니라 최종 산물의 카로티노이드로 모두 전환될 수 있음을 보여준 사례이다. 그러나 벼를 대상으로 한 실험에서는 수선화 유래 PSY유전자를 벼에 이입한 후 과발현 시켰지만, 앞선 결과와 달리 phytoene만 축적되었다[46]. 이는 벼 종자에서 카로티노이드 함량 증대를 위해서는 합성경로에 필요한 여러 다른 유전자를 같이 발현시켜야 함을 시사한다.
카로티노이드는 무엇인가? 카로티노이드(carotenoid)는 이소프레노이드 화합물(isoprenoid compounds)로서 자연계에서 C30, C40, C50 계열의 유용한 색소 군으로 생리활성물질로 알려져 있다. 카로티노이드는 분자 구조에 따라 산소가 없는 카로틴(carotene) 계열과 산소를 포함하는 크산토필(xanthophyll) 계열로 나눠지며, 카로틴은 1831년 Wackenroder에 의해 당근에서 최초로 분리되었고[55], 크산토필은 1837년 Berzelius에 의해 단풍의 노란 색소 성분으로 분리되었다[3].
카로티노이드는 분자 구조에 따라 어떻게 구분 할 수 있는 가? 카로티노이드(carotenoid)는 이소프레노이드 화합물(isoprenoid compounds)로서 자연계에서 C30, C40, C50 계열의 유용한 색소 군으로 생리활성물질로 알려져 있다. 카로티노이드는 분자 구조에 따라 산소가 없는 카로틴(carotene) 계열과 산소를 포함하는 크산토필(xanthophyll) 계열로 나눠지며, 카로틴은 1831년 Wackenroder에 의해 당근에서 최초로 분리되었고[55], 크산토필은 1837년 Berzelius에 의해 단풍의 노란 색소 성분으로 분리되었다[3]. 이러한 카로틴과 크산토필을 총칭하여 1911년 Tswett에 의해 카로티노이드라는 이름이 명명되었다[54].
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (60)

  1. Asker, D. and Ohta, Y. 1999. Production of canthaxanthin by extremely halophilic bacteria. J. Biosci. Bioeng. 88, 617-621. 

  2. Asker, D. and Ohta, Y. 2002. Haloferax alexandrinus sp. nov., an extremely halophilic canthaxanthin-producing archaeon from a solar saltern in Alexandria (Egypt). Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 52, 729-738. 

  3. Berzelius, J. J. 1837. Uber die gelbe Farbe der Blatter im Herbste. Ann. Pharm. 21, 257-262. 

  4. Bhosale, P., Larson, A. J. and Bernstein, P. S. 2004. Factorial analysis of tricarboxylic acid cycle intermediates for optimization of zeaxanthin production from Flavobacterium multivorum. J. Appl. Microbiol. 96, 623-629. 

  5. Britton, G. 1995. Structure and properties of carotenoids in relation to function. FASEB J. 9, 1551-1558. 

  6. Buzzini, P. 2001. Batch and fed-batch carotenoid production by Rhodotorula glutinis -Debaryomyces castellii co-cultures in corn syrup. J. App. Microbiol. 90, 843-847. 

  7. Cheng, J., Li, K., Yang, Z. B., Zhou, J. H. and Cen, K. 2016. Enhancing the growth rate and astaxanthin yield of Haematococcus pluvialis by nuclear irradiation and high concentration of carbon dioxide stress. Biosresour. Technol. 204, 49-54. 

  8. Chen, J., Wang, Y., Benemann, J. R., Zhang, X., Hu, H. and Qin, S. 2016. Microalgal industry in China: challenges and prospects. J. Appl. Phycol. 28, 715-725. 

  9. Chew, B. P., Park, J. S., Wong, M. W. and Wong, T. S. 1999. A comparison of the anticancer activities of dietary beta-carotene, canthaxanthin and astaxanthin in mice in vivo. Anticancer Res. 19, 1849-4853 

  10. Clark, P. E., Hall, M. C., Borden, L. S. Jr., Miller, A. A., Hu, J. J., Lee, W. R., Stindt, D., D'Agostino, R. Jr., Lovato, J., Harmon, M. and Torti, F. M. 2006. Phase I-II prospective dose-escalating trial of lycopene in patients with biochemical relapse of prostate cancer after definitive local therapy. Urology 67, 1257-1261. 

  11. D'Alessandro, E. B. and Filho, N. R. A. 2016. Concepts and studies on lipid and pigments of microalgae: A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 58, 832-841. 

  12. Dannert, C. S. 2000. Engineering novel carotenoids in microorganisms. Curr. Opin. Biotechnol. 11, 255-261. 

  13. Diretto, G., Tavazza, R., Welsch, R., Pizzichini, D., Mourgues, F., Papacchioli, V., Beyer, P. and Giuliano, G. 2006. Metabolic engineering of potato tuber carotenoids through tuber-specific silencing of lycopene epsilon cyclase. BMC Plant Biol. 6, 13. 

  14. Iretto, G., Welsch, R., Tavazza, R., Mourgues, F., Pizzichini, D., Beyer, P. and Giuliano, G. 2007. Silencing of beta-carotene hydroxylase increase total carotenoid and beta-carotene in potato tubers. BMC Plant Biol. 7, 11. 

  15. Dufosse, L. 2006. Microbial production of food grade pigments. Food Technol. Biotechnol. 44, 313-321. 

  16. Dufosse, L., Fouillaud, M., Caro, Y., Mapari, S. A. S. and Sutthiwong, N. 2014. Filamentous fungi are large-scale producers of pigments and colorants for the food industry. Curr. Opin. Biotechnol. 26, 56-61. 

  17. Dundas, D. I. and Larsen, H. 1962. The physiological role of the carotenoid pigments of Halobacterium salinarum. Arch. Mikrobiol. 44, 233-239. 

  18. Enfissi, E. M. A., Fraser, P. D., Lois, L. M., Boronat, A., Schurch, W. and Bramley, P. M. 2005. Metabolic engineering of the mevalonate and non-mevalonate isopentenyl diphosphate- forming pathways for the production of health promoting isoprenoids in tomato. Plant Biotechnol. J. 3, 17-27 

  19. Fang, C., Ku, K., Lee, M. and Su, N. 2010. Influence of nutritive factors on C50 carotenoids production by Haloferax mediterranei ATCC 33500 with two-stage cultivation. Bioresour. Technol. 101, 6487-6493. 

  20. Fraser, P. D. and Bramley, P. M. 2004. The biosynthesis and nutritional uses of carotenoids. Prog. Lipid Res. 43, 228-265. 

  21. Gateau, H., Solymosi, K., Marchand, J. and Shoefs, B. 2016. Carotenoids of microalgae used in food industry and medicine. Mini Rev. Med. Chem. 16, 1-1. 

  22. Giotta, L., Agostiano, A. and Italiano, F. 2006. Heavy metal ion influence on the photosynthetic growth of Rhodobacter sphaeroides. Chemosphere 26, 1490-1499. 

  23. Giovannucci, E., Rimm, E. B., Liu, Y., Stampfer, M. J. and Willett, W. C. 2002. A prospective study of tomato products, lycopene, and prostate cancer risk. J. Natl. Cancer Inst. 94, 391-398. 

  24. Giovannucci, E. 1999. Tomatoes, tomato-based products, lycopene, and cancer: review of the epidemiologic literature. J. Natl. Cancer Inst. 91, 317-331. 

  25. Goodwin, T. W. 1980. Nature and distribution of carotenoids. Food Chem. 5, 3-13. 

  26. Grant, W. D. and Larsen, H. 1989. Extremely halophilic archaea bacteria order Halobacteriales ord. nov., pp. 2216-2233. In: Staley, J. T., Bryant, M. P., Pfenning, N. and Holt, J. G. (eds.), Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, vol. 3. The Williams and Wilkins Co., Baltimore. 

  27. Gross, G. J., Hazen, S. L. and Lockwood, S. F. 2006. Seven day oral supplementation with Cardax (disodium disuccinate astaxanthin) provides significant cardioprotection and reduces oxidative stress in rats. Mol. Cell. Biochem. 283, 23-30. 

  28. Heber, D. and Lu, Q. Y. 2002. Overview of mechanisms of action of lycopene. Exp. Biol. Med. (Maywood) 227, 920-923. 

  29. Hu, Z. C., Zheng, Y. G., Wang, Z. and Shen, Y. C. 2006. pH control strategy in astaxanthin fermentation bioprocess by Xanthophyllomyces dendrorhous. Enzyme Microb. Technol. 39, 586-590. 

  30. Inbaraj, B. S., Chien, J. T. and Chen, B. H. 2006. Improved high performance liquid chromatographic method for determination of carotenoids in the microalga Chlorella pyrenoidosa. J. Chromatogr. A 1102, 193-199. 

  31. Jatoi, A., Burch, P., Hillman, D., Vanyo, J. M., Dakhil, S., Nikcevich, D., Rowland, K., Morton, R., Flynn, P. J., Young, C. and Tan, W. 2007. North Central Cancer Treatment Group. A tomato-based, lycopene containing intervention for androgen-independent prostate cancer: results of a Phase II study from the North Central Cancer Treatment Group. Urology 69, 289-294. 

  32. Joshi, V. K., Attri, D., Bala, A. and Bhushan, S. 2003. Microbial pigments. Indian J. Biotechnol. 2, 362-369. 

  33. Kim, J. W. 2008. Complementary Therapies and Cancer Treatment. J. Kor. Med. Assoc. 51, 427-434. 

  34. Lee, J. H., Kim, Y. S., Choi, T. J., Lee, W. J. and Kim, Y. T. 2004. Paracoccus haeundaensis sp. nov., a Gram-negative, halophilic, astaxanthin-producing bacterium. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 54, 1699-702. 

  35. Lee, J. H., Seo, Y. B. and Kim, Y. T. 2008. Enhanced production of astaxanthin by metabolic engineered isoprenoid pathway in Eshcerichia coli. J. Life Sci. 18, 1764-177. 

  36. Lee, J. H., Seo, Y. B., Jeong, S. Y., Nam, S. W. and Kim, Y. T. 2007. Functional analysis of combinations in astaxanthin biosynthesis genes from Paracoccus haeundaensis. Biotechnol. Bioprocess Eng. 54, 1699-1702. 

  37. Lu, Y. M., Xiang, W. Z. and Wen, Y. H. 2011. Spirulina (Arthrospira) industry in Inner Mongolia of China: current and prospects. J. Appl. Phycol. 23, 265-269. 

  38. Masetto, A., Flores-Cotera, L. B., Diaz, C., Langley, E. and Sanchez, S. 2001. Application of a complete factorial design for the production of zeaxanthin by Flavobacterium sp. J. Biosci. Bioeng. 92, 55-58. 

  39. Mukherjee, G. and Singh, S. K. 2011. Purification and characterization of a new red pigment from Monascus purpureus in submerged fermentation. Process Biochem. 46, 188-192. 

  40. Na, E. J., Jang, H. H. and Kim, G. R. 2016. Review of Recent Studies and Research Analysis for Anti-oxidant and Antiaging Materials. Asian J. Beauty Cosmetol. 14, 481-491. 

  41. Naveena, B. J., Altaf, M., Bhadriah, K. and Reddy, G. 2006. Selection of medium components by Plackett-Burman design for production of L (+) lactic acid by Lactobacillus amylophilus GV6 in SST using wheat bran. Bioresour. Technol. 96, 485-490. 

  42. Paine, J. A., Shipton, C. A., Chaggar, S., Howells, R. M., Kennedy, M. J., Vernon, G., Wright, S. Y., Hinchliffe, E., Adams, J. L., Silverstone, A. L. and Drake, R. 2005. Improving the nutrional value of golden rice through increased pro-vitamin A content. Nat. Biotechnol. 23, 482-487. 

  43. Pan, X., Wang, B., Gerken, H. G., Lu, Y. and Ling, X. 2017. Proteomic analysis of astaxanthin biosynthesis in Xanthophyllomyces dendrorhous in response to low carbon levels. Bioprocess Biosyst. Eng. 40, 1091-1100. 

  44. Raja, R., Haemaiswarya, S. and Rengasamy, R. 2007. Exploitation of Dunaliella for ${\beta}$ -carotene production. Appl. Microbiol. Biotechnol. 74, 517-523. 

  45. Roukas, T., Mantzouridou, F. and Kotzekidou, P. 2002. Effect of the aeration rate and agitation speed on ${\beta}$ -carotene production and morphology of Blakeslea trispora in a stirred tank reactor: mathematical modeling. Biochem. Eng. J. 10, 123-135. 

  46. Schaub, P., Al-Babili, S., Drake, R. and Beyer, P. 2005. Why is golden rice golden (yellow) instead of red? Plant Physiol. 138, 441-450 

  47. Seo, Y. B., Kim, D. E., Kim, G. D., Kim, H. W., Nam, S. W., Kim, Y. T. and Lee, J. H. 2009. Kocuria gwangalliensis sp. nov., an actinobacterium isolated from seawater. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 59, 2769-2972. 

  48. Seo, Y. B., Jeong, T. H., Choi, S. S., Lim, H. K. and Kim, G. D. 2017. Enhanced Production of Astaxanthin in Paracoccus haeundaensis Strain by Physical and Chemical Mutagenesis. J. Life Sci. 27, 339-345. 

  49. Shewmaker, C. K., Sheehy, J. A., Daley, M., Colburn, S. and Ke, D. Y. 1999. Seed-specific overexpression of phytoene synthase: increase in carotenoids and other metabolic effects. Plant J. 20, 401-412. 

  50. Siler, U., Barella, L., Spitzer, V., Schnorr, J., Lein, M., Goralczyk, R. and Wertz, K. 2004. Lycopene and vitamin E interfere with autocrine/paracrine loops in the dunning prostate cancer model. FASEB J. 14, 1-23. 

  51. Stahl, W. and Sies, H. 1996. Lycopene: a biologically important carotenoid for humans. Arch. Biochem. Biophys. 336, 1-9. 

  52. Suh, J. T., Choi, E. Y., Yoo, D. L., Kim, K. D., Lee, J. N., Hong, S. Y., Kim, S. J., Nam, J. H., Han, H. M. and Kim, M. J. 2015. Comparative study of biological activities at different harvesting times and new varieties for highland culture of Gom-chwi. Kor. J. Plant Res. 28, 391-399. 

  53. Tanaka, T., Makita, H., Ohnishi, M., Mori, H., Satoh, K. and Hara, A. 1995. Chemoprevention of oral carcinogenesis by naturally occurring xanthophylls, astaxanthin and canthaxanthin. Cancer Res. 55, 4059-4064 

  54. Tswett, M. 1911. Uber den makro und mikrochemischen Nachweis des Carotins. Ber. Dtsc. Bot. Ges. 29, 630-636 

  55. Wackenroder, H. W. F. 1831. Uber das oleum radicis Dauci aetherum, das Carotin, den Carotenzucker und den officinellen succus Dauci; so wie auch uber das Mannit,welches in dem Mohrensafte durch eine besondere Art der Gahrung gebildet wird. Geigers Mag. Pharm. 33, 144-172. 

  56. Wang, N., Guan, B., Kong, Q., Sun, H., Geng, Z. and Duan, L. 2016. Enhancement of astaxanthin production from Haematococcus pluvialis mutants by three-stage mutagenesis breeding. J. Biotechnol. 236, 71-77. 

  57. Ye, X., AI-Babili, S., Kloti, A., Zhang, J., Lucca, P., Beyer, P. and Potrykus, I. 2000. Engineering the provitamin A (beta-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm. Science 287, 303-305. 

  58. Zhang, Y., He, M., Zou, S., Fei, C., Yan, Y., Zheng, H., Rajper, A. A. and Wang, C. 2016. Breeding of high biomass and lipid producing Desmodesmus sp. by Ethylmethane sulfonate- induced mutation. Bioresour. Technol. 207, 268-275. 

  59. Zhao, Y., Shang, M., Xu, J. W., Zhao, P., Li, T. and Yu, X. 2015. Enhanced astaxanthin production from a novel strain of Haematococcus pluvialis using fulvic acid. Process. Biochem. 50, 2072-2077. 

  60. Zoz, L., Carvalho, J. C., Soccol, V. T., Casagrande, T. C. and Cardoso, L. 2015. Torularhodin and torulene: Bioproduction, properties and prospective applications in food and cosmetics - a Review. Braz. Arch. Biol. Technol. 58, 278-288. 

저자의 다른 논문 :

LOADING...

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

GOLD

오픈액세스 학술지에 출판된 논문

이 보고서와 함께 이용한 콘텐츠

섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트