アスタキサンチンの生合成方法は?

アスタキサンチンは、もともとロブスターから単離された脂溶性カロテノイド色素である[1]。さまざまな藻類、微生物、甲殻類、海洋魚に含まれていますが、高等植物ではほとんど報告されていません[2]。1980年代半ば以降、抗酸化作用などの生物活性が発見され、飼料、健康食品、化粧品、医薬品などに使われるようになった。欧州連合(eu)は長い間、アスタキサンチンを栄養補助食品として使用することを承認している。米国食品医薬品局(fda)も、動物と魚の飼料用着色料としてアスタキサンチンを承認した。また、中国は食品や飼料添加物にアスタキサンチンを広範囲に使用することを許可している。そのため、アスタキサンチンの市場需要は増加しています。

In のcurrent commercial supply のastaxanthin, astaxanthではmainly synthesized によってchemical methods or extracted からnatural astaxanthin-containing Haematococcuspluvialis、Rhodopseudomonとしてpalustris, とのshells のshrimp とcrab, とthen further processed にobtaでproducts ためdifferent uses. Hydrophilic 配達vehicles are often used で健康products とpharmaceutical preparations to ensure のeffective absorptiにの活躍substances such as アスタキサンチンでthe humのbody. At present, the methods used ためlarge-規模生産のアスタキサンチンall have certaでlimitations, resulting でのshortage のastaxanthin. In recent years, with the development のgenetic 工学technology, transgenic crops rich でastaxanthin, such as rice, tomatoes, とcorn, have been reported one after another, bringing new possibilities ためthe 未来industrial production のhigh-品質astaxanthin.

アスタキサンチンの1つの特性

エビの赤い色素としても知られているアスタキサンチンは、3,3&です#39; -dihydroxy-4、4' -dione-beta、beta'-カロチン分子式c40h52o4。アスタキサンチンの分子構造は、長い共役ポリエン鎖とその末端に2つのヘキサエンケトン環(c-3とc-3 &)からなる#39;キラル中心として環を形成しています末端環のキラル炭素原子の配座に応じて、アスタキサンチンはレボグル(3 s,3&)の3つの立体異性体を持つ#39; s)、dextrogyre (3 r、3' r)とmeso (3 r, 3' S)(図1)。

これらの異なるアスタキサンチン配座はすべて自然界で見られる。例えば、rhodotorulのglutinis中のアスタキサンチンはレボ配座の自由型である;ナンキョクオキアミは、デキストロ配座のアスタキサンチンエステルが支配的である;野生のサケは主にレボ配座の自由形態のアスタキサンチンを含んでいる;haematococcus pluvialisでは、左利きのコンフォレーションを持つアスタキサンチンの遊離型である。このうち、モノエステルは約80%、ダイエステルは約15%である。エステル化に関与する脂肪酸3または3'水酸基にはオレイン酸、トランスオレイン酸、リシノール酸、アラキジン酸などがある。さらに、アスタキサンチン構造中の炭素-炭素二重結合基の空間配置に応じて、cis-トランス異性体も存在する。2つの基が二重結合の同じ側にある場合はシス構造(z)、そうでない場合はトランス構造(e)と呼ばれます(図1)。

2 アスタキサンチンの生合成経路

ケトカロテノイドとしてのアスタキサンチンは、細菌、真菌、藻類、およびよく知られているrhodopseudomonas palustris[3]やhaematococcus pluvialis[4 g-5]を含む少数の植物でのみ完全な生合成経路を持つ。サケやロブスターなどの動物は、アスタキサンチンを合成する能力が乏しく、一般的に食物連鎖を通じて体内に蓄積するしかない[6 - 7]。カロテノイド合成の代謝経路も同様である。開花植物[8]では、ゲラニルゲラニルピロリン酸(ggpp)は、一連の反応によってグリセルアルデヒド-3-リン酸とピルビン酸から生成されます;次に、フィトエンシンターゼ(psy)の作用の下で、2つのggpp分子がカロテノイド合成の律速段階であるフィトエンを形成する。

フィトエンは酸化されてリコピンを形成し、さらに分岐する。合成一分野ルテインリコピンの作用でエプシロンcyclase (LCY-e)一方残りの支店方向に進むβ-carotene、ついに形成abscisic酸た。-カロテン細菌、菌類、藻類およびいくつかの植物におけるアスタキサンチン合成の前駆体である。アスタキサンチンとβ-カロチンの構造的な違いは、c3とc3 &のヒドロキシ基にある#39;c4とc4 &の環とカルボニル基#39;炭素鎖の末端に輪がありますしたがって、β延長-caroteneアスタキサンチン生中枢への線はプロセスというのはヒドロキシとカルボニル二団体サイト対応するβ-ringsの両端β-carotene分子ですしかし、ヒドロキシル化とカルボニル化の方法や経路は、種によってわずかに異なり、図2に示すように、一般的に3つの経路に分けることができます。

Tagetes erectのis the only 高いplant reported to date to be able to synthesize astaxanthin. Cunningham etal. [9] screened のcDNのlibrary のTagetes erecta petals ためcDNAs similar to β-carotene3-hydroxylase genes (cbfd1 とcbfd2) とtransferred these two cDNAs に大腸菌ため遺伝子function verification. のresults showed that CBFD1/CBFD2 has substrate specificity とcan hydroxylate the C4 のunmodified カロテノイドβ-rings とthe C3 のカロテノイド4-keto-β-rings, but cannot hydroxylate the C3 のunmodified β-rings or 4-hydroxy-β-rings. The team further verified this result で2011 とidentified two 他genes, hbfd1 and hbfd2, which encode HBFD[2] and can dehydrogenate the hydroxyl group on the 4-hydroxy-β-ring to form a 4-carbonyl-β-ring. In marigold, when β-carotene is used as a substrate ためthe 合成のastaxanthin, CBFD first hydroxylates the C4 のthe β-carotene β-ring; then the hydroxyl group at this site is dehydrogenated によってHBFD to form a carbonyl group; finally, CBFD adds a hydroxyl group to the C3 のthe 4-carbonyl-β-ring to form astaxanthin.

海洋細菌のアスタキサンチン代謝経路はより簡潔であるようである。β間干渉も-carotene ketolase CrtWとβ-carotene水酸化酵素CrtZ、厳密な触媒反応もシーケンスketolaseと水酸化酵素の中間のマリーゴールドはである。

In algae, the ketolase BKTand the CrtWenzyme からHaematococcuspluvialishave similar amino acid sequences [10], but the シトクロムP450 reductase [11] acts as a hydroxylase でconjunction with BKT .In yeast, the functional 遺伝子that converts β-carotene to アスタキサンチンis still controversial. This is because there are two different reactions でthe conversion のβ-carotene to astaxanthin: hydroxylation and ketolation. Only one relevant gene, CrtShas been cloned ためthe first half のthis process. Ojima etal. [12] introduced CrtS into E. coli that could produce β-carotene and detected the intermediate product astaxanthin, thereによってproposing the hypothesis that CrtS has two functions: hydroxylation and ketolation. However, Álvarez etal. [13] only detected the hydroxylated products のβ-carotene, β-cryptoxanthでand zeaxanthin, when they introduced CrtS into the β-carotene-producing Streptomyces. Therefore, they believed that β-carotene hydroxylase only has a hydroxylation function. Alcaíno etal. [14] cloned another gene, CrtR,which encodes cytochrome P450 reductase, and research has shown that CrtRis necessary for CrtS to convert β-carotene into astaxanthin.

3アスタキサンチンのアプリケーション

3.1養殖及び家畜飼料へのアスタキサンチンの応用

アスタキサンチンは、異なる種で異なる配座で発生し、生物にその特徴的な色を与える天然の着色剤である。典型的な例は鮭の肉の赤い色である。この赤い色は視覚的に喜ばれ、人々は新鮮さと風味の印としてこの明るい色を見ることに慣れています。アスタキサンチン魚を蓄積できるlipoproteins (15) myosin[16]とα-actinin[17〕。このため、養殖された鮭をより鮮やかに着色するために、従来の飼料には適度な量のアスタキサンチンが添加されています。

推定が発売され、動物性飼料と栄養制品の需要それぞれ300万、3000万ドルだ2009年でも、8億や3億ドルがお許しになる2020年に向けて、それぞれアスタキサンチン川を遡上飼料サケの年间需要ている億ドル(2500ドル・kg-1)[18]。

In addition to aquatic products, アスタキサンチンcan also be used でpoultry feed. Adding 10 mg·kg-1 of natural アスタキサンチンto the feed of 肉ducks can effectively deposit it でthe ducks, ca使用the beaks and shins of live ducks to take on a natural and healthy golden yellow color. It can also effectively inhibit lipid per酸化in the muscles and improve nutritional value [19]. Using high-アスタキサンチンcorn to completely replace corn in traditional feed to feed laying hens (Figure 3) can produce eggs with アスタキサンチンlevels of 12.10–14.15 mg·kg-1 in the yolk, with each egg containing about540µgアスタキサンチン人体の毎日の抗酸化健康ニーズを満たすことができる[20]。

3.2健康食品や化粧品におけるアスタキサンチン

アスタキサンチン分子の長い共役ポリエン鎖は、一重項酸素を消し、フリーラジカルを除去することができるため、非常に強い抗酸化能を持つ[21]。伝えられているところにアスタキサンチンの抗酸化作用は10倍のzeaxanthinルテイン、canthaxanthinとβ-carotene、100倍以上tocopherol。[22]。このため、食品やスキンケア製品に添加することで、アスタキサンチンの抗酸化活性を利用して、美白やスキンケア、免疫力強化、アンチエイジング効果が得られると考えられています。2022年11月の時点で、中国でアスタキサンチンを含有していると表示された登録製品は2,371,474件であり、そのうち70,765件がスキンケアおよび美容製品であった。45,156は食品でしかし、アスタキサンチンの健康食品は、基本的にすべて外国から輸入されている[23 - 24]。

輸入品[23‑24]。

3.3医薬品におけるアスタキサンチンの適用

Because astaxanthin has a strong 抗酸化effect, it can be used as a multi-targetpharmacological agent. アスタキサンチンcan prevent and improve non-alcoholic 脂肪liver disease and liver fibrosis によってregulating liver immune response, liver inflammation and oxidative stress[25]. In addition, Fakhri et al. [26] believe that astaxanthin can prevent most diseases related to oxidative stress and inflammation, including inflammatory diseases, cancer, obesity, hypertriglyceridemia, hypercholesterolemia, cardiovascular, gastrointestinal , liver, neurodegenerative ophthalmic, skeletal, reproductive system diseases and skin diseases. Lignell et al. [27] also showed that 口頭administration of astaxanthin-containing drugs can 大きくenhance human 筋肉strength and exercise tolerance.

商業アスタキサンチンの4つの主要なソース

4.1化学合成アスタキサンチン

アスタキサンチンの化学合成は、商業的なアスタキサンチンの主な供給源である。中国ではpiら[28]が、原料へのアクセスが容易で、反応選択性が高く、収率が高いという利点を持つアスタキサンチンの化学合成法を報告している。海外で市販されている合成アスタキサンチンの主な供給源はドイツのbasfとスイスのrocheである。両社が使用している合成方法は類似しており、プロセスは複雑で厳格である[29]が、コストは比較的低い。また、カンタキサンチンを用いてアスタキサンチンを合成する方法もある。この方法で合成されたアスタキサンチンは、生物活性は高いものの、コストが高く、収率が低く、合成には危険が伴う[30]。現在、工業的に合成されているほとんどのアスタキサンチンは、サケやその他の水産物の養殖の飼料添加物として使用されている。

4.2自然抽出法

In addition to chemical synthesis, astaxanthin can also be extracted からorganisms that naturally contain astaxanthin. Existing extraction methods mainly extract astaxanthin from organisms such as Haematococcuspluvialis, Chromatococcus purpureus, Rhodopseudomonas palustris, and crustacean shells. The form of astaxanthin in different species is different, and the production generally 必要the extraction of the more stable all-transアスタキサンチン. At present, in industrial production, natural astaxanthin with all-trans configuration can only be extracted from Haematococcus pluvialis, but algae have a long growth cycle, low biomass, and the induction of astaxanthin accumulation by adverse 強調conflicts with the accumulation of cell biomass, resulting in an astaxanthin content of 1% to 5% in Haematococcus pluvialis [31]. Although the red yeast Rhodotorula glutinis has a fast growth rate and high biomass, ◆astaxanthin content is only 0.4% [31]. The method of extracting astaxanthin from discarded crustaceans is costly, has a low yield and low purity, and is therefore rarely used. In general, the existing industrial production methods have more or less the problems of being technically difficult, costly to produce and yielding low levels of astaxanthin. However, the demand for natural astaxanthin with higher safety and biological 活動in the fields of health products and cosmetics has led to the high price of such goods.

5 .アスタキサンチンの商業生産のための遺伝子工学

Genetic 工学research on astaxanthin biosynthesis was first carried out in algae and microorganisms, with the astaxanthin content in Rhodopseudomonas palustris reaching about 0.5% of the cell dry weight; the astaxanthin content in Haematococcus pluvialis can reach about 4% to 5% of the cell dry weight (Table 1). However, the biomass of these receptor organisms is low, and the mechanism by which they store astaxanthin is not yet clear, so astaxanthin production is generally low.

近年、遺伝子工学によるアスタキサンチン生合成のために、環境に優しい作物をバイオリアクターとして利用する研究が盛んに行われている(表1)。

The first study on astaxanthin gene transfer was in the model plant tobacco. The CrtO gene from Haematococcus pluvialis was transferred to tobacco, and astaxanthin was synthesized in ◆花for the first time [35]; while in transgenic タバコwith transferred cyanobacterial CrtO, ketoカロチノイド色素were detected in the leaves, with a content of 165.00 µg·g-1 DW [44]; at the same time, the transgenic tobacco and tomatoes with fused expression of CrtW and CrtZ the amount of astaxanthin accumulated was increased but still very low [45]. 

海洋細菌brevundimonas sp.株sd212由来のcrtwおよびcrtzは葉緑体の形質転換によってタバコに形質転換され、形質転換タバコの葉中のアスタキサンチン含有量は5.44 mg・g-1 dwに達した[37];ketolase遺伝子BKTとCrtBの後にジャガイモに移管され、蓄積された遺伝子組み換え植物13.90µg・てろ助けダンアスタキサンチン[36];BKT移転ニンジンに遺伝子がという事態によりアスタキサンチン蓄積91.60µg・てろ助けFWましょう。[38]。陳Feng&#北京大学の研究チームは、藻類の異なるケトラーゼ遺伝子をシロイヌナズナとタバコに移植したところ、クラミドモナスのcrbktが最も多く、2.07と1に達したことを発見した。60 mg・g-1 dw [39 g-40];さらに、トマトにおいて、ヘマトコcoccus pluvialis由来のcrbktとヒドロキシアーゼ遺伝子hpbhyを同時に発現させたところ、astaxanthinが16.10 mg・g-1 dwの蓄積を示した[41]。

続いて、生のアスタキサンチン食用作物に焦点を当てていました柳Yaoguang'sチーム[43]は、イネの胚乳におけるアスタキサンチン代謝経路の再構築に成功した。取得した・ファーリーら(42)に対しても遺伝子組み換えトウモロコシBrevundimonas sp.株SD212 Crbkt BrcrtZ遺伝子銃を遺伝子co-transformationためにて、アスタキサンチンを积み上げてその種子1 6.77%µgにのぼる・てろ助けダンやるliu xiaoqingらは[20]、トウモロコシにアスタキサンチン合成経路の主要な酵素遺伝子を導入して、47.76 - 111.82 mg・kg-1 dwという高レベルのアスタキサンチンのトウモロコシ生殖質を作り出した(図3)。

6アスタキサンチン能動送達システム

アスタキサンチンは非常に不飽和な分子であり、高温、光照射、酸化などの条件に非常に敏感である。そのため、分解しやすく、生物活性を低下させます。応用システムにおけるアスタキサンチンの生物学的利用能と安定性を同時に向上させることによってのみ、アスタキサンチンの工業生産と商業応用を促進し、人間の健康を効果的に保護することができる。

デリバリーシステムは現在利用可能であり、エマルジョン、ナノ粒子、リポソームなどの従来のデリバリーシステムを含む、非常に保護的で実用的な戦略です。khalidら[46]は、高圧均質化を用い、レシチンとカセイン酸ナトリウム(sc)の原料を修飾して、「水中油」のアスタキサンチンのナノエマルジョンを調製した。カセイン酸ナトリウム(sc):アスタキサンチンの水中油ナノエマルジョンを調製する。ribeiroら[47]は、アスタキサンチンを保護するために予混合膜を使用したが、若干の劣化が生じた。現在、主にレシチン、ジミルストイルホスファチジルコリン[48]、大豆ホスファチジルコリン[49]などの材料を用いて、アスタキサンチンを封入している。これらの材料は、より高い経口安全性を有し、体によって消化され、吸収されることができる。

Compared to the previous two methods, ナノ粒子provide better protection and higher utilization. Astaxanthin is embedded in a glutaraldehyde-crosslinked chitosan matrix using the multiple emulsification/solvent evaporation method to form a powdered astaxanthin microcapsule product with a diameter of 5–50 µm. This embedding can protect astaxanthin from isomerization or chemical degradation [50]. Using DNA / *アミン・co-assemblies as nanocarriers, astaxanthin-loaded DNA/chitosan (ADC) colloidal systems can be obtained [51], with astaxanthin content is as high as 65 µg·mL-1 .

adcナノ粒子は、腸上皮細胞のエンドサイトーシスにより短時間で吸収され、活性酸素の捕捉効率は遊離アスタキサンチンの2倍の54.3%と高い。中でも2ナノ粒子にあり、オクタデカンacid-chitosanを使ってconjugatesとナトリウムチロシン(NaCas) ionogel方法集中アスタキサンチンジェイミーに活用される約140µmol・L-1(52)。アスタキサンチンは、酸化デキストランとウシ血清アルブミンのin situカップリングによって調製された固体リピッドポリマーハイブリッドナノ粒子(slpn)によっても効果的に保護することができる[53]。

アスタキサンチンは様々なタンパク質と相互作用することができ、両親媒性タンパク質は親水性の親油性物質運搬体として適している。脂肪酸をタンパク質リガンドとして使用すると、牛血清アルブミン(bsa)-アスタキサンチン系[54]が効果的にアスタキサンチンの貯蔵安定性を確保することができます。さらに、in vitroシミュレーションでは、親水性運搬手段がアスタキサンチンの生物学的利用能を有意に改善することも示されている。

dha以外の不飽和脂肪酸や長鎖脂肪酸を代わりに使用すると、カプセル化されたアスタキサンチンの安定性は低下するが、生物学的利用能は増加する。したがって、タンパク質を複合化するために使用される脂肪酸は、実際の使用条件に従って選択する必要があります。ジャガイモ澱粉処理の副産物[55]から抽出されるジャガイモタンパク質(pp)も、アスタキサンチン分子とナノ粒子を形成することができる。消化管消化を模擬した後は80%の保持率しか得られませんが、原料の低コストは栄養補助食品としてのアスタキサンチンのコストを大幅に削減することができます。など他の納品車両疎水性線維物质に対して大豆β-conglycinin(β-CG)(56)も用として使われるものと予想される将来アスタキサンチン集配業務。

7 .アスタキサンチンの今後の応用の展望

アスタキサンチン粉生物学的機能の広い範囲を持っているため、巨大な市場の需要があります。しかし、現在の工業生産と商業アプリケーションには一定の制限があります。現在、最初の生産源の問題は、遺伝子組み換え技術によって解決することができます。特に、トウモロコシや米に代表される作物やトマトやケールに代表される果物や野菜は、生物活性の強いアスタキサンチンを大量に蓄積するバイオリアクターとして利用できる。特に、アスタキサンチンを含有する果物や野菜を直接市場に供給することができ、people&のアスタキサンチン含有量を増加させることができます#日常的な食物39;sした。トウモロコシは、食糧と飼料の両方に使用することができる作物として、人々を満たすことができます'の毎日の食事のニーズと関連する産業用途のニーズ。

しかし、変換方法による外来遺伝子の断片化や遺伝子の分離、関連する生殖質のアスタキサンチン特性の評価基準がないなどの問題があり、中国での研究成果は市場のニーズに応えることができませんでした。有効利用の第2のステップは、合理的なアプリケーション配信システムに依存し、異なる特徴を有する対応する配信システムは、実際のアプリケーションのシナリオに従って選択される。疎水性活性分子送達システムの多様化と比較的成熟した技術、特にナノ粒子技術により、アスタキサンチンは様々な材料を用いて効果的に保護し送達することができる。

If proteins that interact with astaxanthin in a naturally specific manner are introduced into existing astaxanthin transgenic crops, it is hoped that astaxanthin molecules can be 同時にaccumulated and encapsulated in a bioreactor, and astaxanthin material extraction and 配達system assembly can be achieved in one step. As market demand continues to increase, research on astaxanthin will also deepen, and in the future, the low-cost and high-efficiency industrial application of astaxanthin resources will surely be better realized.

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