Metabolic Engineering of Yarrowia lipolytica for the production of carotenoids, ß-carotene, and crocetin

Abstract

Carotenoids and apocarotenoids are unique molecules that can be used for various purposes such as colorants or health care. Their antioxidant and anticancer properties have brought much industrial demands and explain the increasing number of studies involved in their synthesis by microbial species. In this study, the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica was used to produce carotenoids by the introduction of heterologous genes phytoene desaturase (crtI) and lycopene cyclase/phytoene synthase (crtYB) from the red yeast Xanthophyllomyces dendrorhous, in multiple copies in the Y. lipolytica genome, mediated by CRISPR/Cas9 system. The carotenoid content was further improved by fine tuning of the cytoplasmic acetyl-CoA pool, involving the overexpression of endogenous and exogenous genes regulating the flux towards acetyl-CoA. This approach improved carotenoid content by 1.63 folds. Further engineering was performed by pulling the acetyl-CoA out from the mitochondria; The IDP gene, encoding isocitrate dehydrogenase involved in the TCA cycle, was down regulated by the CRISPRi system and the ACL gene, encoding ATP citrate lyase providing the cytosolic acetyl-CoA, was overexpressed. This resulted in as much as 2.63-fold increase in the carotenoid content. The final strain JHYB102 could produce as much as 1.54 mg/g DCW of ß-carotene and 0.17 mg/g DCW of lycopene from 20 g/L of glucose. Moreover, additional heterologous genes, ß-carotene reductase (crtZ) from Pantoea ananatis and carotenoid cleavage dioxygenase (CCD2) from Crocus sativus were introduced to produce zeaxanthin and crocetin, respectively. The final strain JHYB104 with increased acetyl-CoA flux could produce up to 0.874 mg/g DCW of zeaxanthin.

카로티노이드 및 아포카로티노이드는 는 이소프레노이드 계열 물질로 항산화 및 발암 억제 작용 기능을 위해 상업적으로 사용되어 각광받고 있다. 현재까지 카로티노이드의 제한적인 정제 방법과 생산 방법은 대사공학적 접근을 통한 대량생산의 연구로 극복되고 있으며, 해당 방법을 통한 수요는 증가하고 있는 추세이다. 본 연구에서는 유지 효모로 분류되는 Y. lipolyitca의 유전체에 rDNA 위치에 X. dendrorhous의 phytoene desaturase 와 phytoene synthase/lycopene cyclase를 암호화 하는 두가지 유전자 crtI와 crtYB를 CRISPR/Cas9 시스템을 통해 도입함으로써 ß-carotene을 생산하는 균주를 제작하였다. 또한 카로티노이드의 전구체 물질로 작용하는 acetyl-CoA의 양을 증가시키고자 acetyl-CoA 생산에 관여하는 유전자들을 과발현하였고, 이를 통해 균주 내에에 카로티노이드 양을 약 1.63배 증가할 수 있었다. 또한, 미토콘드리아 내에 존재하는 acetyl-CoA를 세포질로 이동시키고자 CRISPRi 시스템을 통해 TCA cycle에 관여하는 유전자인 IDP를 억제하고, citrate로부터 acetyl-CoA를 생산하는 ACL 유전자를 과발현 하였을 때 카로티노이드 양이 최대 2.63배 증가하였다. 최종 균주를 통해 20 g/L의 포도당으로부터 1.54 mg/g DCW의 ß-carotene과 0.170 mg/g DCW의 lycopene을 생산하였다. 마지막으로, P. ananatis에서 유래된 ß-carotene reductase (crtZ) 유전자와 C. sativus에서 유래한 carotenoid cleavage dioxygenase 유전자를 추가적으로 Y. lipolytica 내로 도입함으로써 zeaxanthin까지 생산하는 최초의 Y. lipolytica 균주를 얻었다. 최종 균주는 20 g/L의 포도당을 사용해 0.874 mg/g DCW의 zeaxanthin을 생산하였다.