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血红素是一种含铁的四吡咯化合物，广泛存在于血红蛋白、肌红蛋白、过氧化氢酶、细胞色素c和细胞色素P450中，并在生物体内执行许多重要的生理功能。尽管微生物细胞工厂可以用于生产血红蛋白和血红素衍生物，但如何在细胞内调节血红素的浓度仍然是一项挑战。
近期发表于Taylor & Francis旗下生物工程研究领域高质量期刊Critical Reviews in Biotechnology上的一篇题为Biosynthesis, acquisition, regulation, and upcycling of heme: recent advances的文章中，来自江南大学的研究团队综述了血红素的生物合成、获取、调节和再利用等方面的研究进展，为提高血红蛋白及血红素衍生物的高效生产和应用提供支持。
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通讯作者：赵鑫锐，江南大学生物工程学院未来食品科学中心研究员。
研究重点为：微生物高效合成血红素及其相关结合蛋白、酶的研究。
图文摘要
研究背景
血红素是一种含铁的四吡咯化合物，由四个吡咯环或类似结构的环组成。它在血红蛋白、肌红蛋白、过氧化氢酶、细胞色素c和细胞色素P450等血红蛋白质中发挥着关键作用，并对包括人体在内的生物体的多种生理功能至关重要。虽然血红素衍生物如胆绿素、胆红素和藻蓝胆素对生物体有益，但游离血红素在浓度异常高的情况下可能具有毒性从而损害细胞。因此，在微生物细胞工厂中生产血红蛋白和血红素衍生物时，需要精确调控血红素的浓度。
研究方法
研究人员回顾了在微生物细胞工厂中血红素的生物合成、获取、调节和再利用方面的最新突破和进展。
研究结果
近年来，研究人员采用了多种方法来提高微生物细胞工厂中血红素的可用性，包括系统代谢工程、基因组规模代谢建模和途径重建。
通过代谢工程增加血红素前体ALA，能显著提高细胞内血红素水平。ALA的积累能够增强下游血红素生物合成途径，从而提高产量。另一种方法是通过基因工程，提高参与血红素生物合成的基因的表达。
图1. 血红素（a）及其衍生物（b）的生物合成途径示意图。图中标记包括：G-6-P（葡萄糖-6-磷酸）、3-PG（3-磷酸甘油酸）、Pyr（丙酮酸）、CoA（辅酶A）、A-CoA（乙酰辅酶A）、CIT（柠檬酸）、ICT（异柠檬酸）、α-KG（α-酮戊二酸）、SUC（琥珀酸）、MAL（苹果酸）、TCA（三羧酸循环）、GLO（草酰乙酸）、LDH（乳酸脱氢酶）、PTA（磷酸乙酰转移酶）、KDH（α-酮戊二酸脱氢酶）、SCS（琥珀酰辅酶A合成酶）、ICL（异柠檬酸裂解酶）、Fdred（还原态铁氧还蛋白）、Fdox（氧化态铁氧还蛋白）、Fnr（铁氧还蛋白-NADP+还原酶）
提高细胞内血红素水平的另一种方法是增加血红素的摄取。通过基因组学和蛋白质工程技术，研究人员发现了新的血红素输入物，这些输入物可以在生物合成过程中用于提高血红素的摄取量。
图2. 血红素摄取机制及其在生物技术中的多种应用。（a）革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌中的血红素转运系统（HUS）。革兰氏阳性菌如金黄色葡萄球菌（S. aureus）和白喉杆菌（C. diphtheriae）中存在Isd系统和非Isd系统。OM：外膜；IM：内膜；CW：细胞壁。（b）血红素输入物在血红蛋白生产、血红素衍生化合物的合成、ArMs组装、疫苗和抗体开发中的应用。
细胞内游离血红素浓度异常高的时候可能具有毒性，因此研究人员引入了可以动态调控血红素合成途径的生物传感器，以维持微生物细胞工厂内血红素浓度在安全水平。
图3. 提高血红素衍生物（胆绿素（BV）、胆红素（BR）和藻蓝胆素（PCB））生产的策略。（a）通过代谢工程预测和设计胆绿素生物合成途径中的限速步骤。MetaCyC：用于热力学分析的网站（https://metacyc.org/）。（b）在工程化的EcN(T7)和E. coli BL21(DE3)菌株中，将血红素分别转化为胆绿素和胆红素。ChuA：一种外膜血红素受体。（c）在重组E. coli中对ho1和pcyA基因表达进行模块化优化。T: T. elongatus；S：集胞藻属。（d）通过短肽标签和DNA支架空间组装HO1和PcyA，以优化底物转运并促进代谢通量。RIDD/RIAD：短肽标签；ADB1/2：人工DNA结合域。（e）利用响应面方法优化工程化E. coli菌株中藻蓝胆素的发酵条件。（f）提高藻蓝胆素的生物合成，用于哺乳动物细胞和枯草芽孢杆菌的光遗传学控制细胞信号通路。Pr：红光吸收基态；Pfr：远红光吸收基态；Pg：绿光吸收基态。
主要贡献
这项研究表明，近5年来血红素衍生物和血红蛋白的生物生产取得了显著进展。利用代谢工程、基因组规模代谢建模和途径重建等多种方法，已成功提高了微生物细胞工厂中的血红素水平。然而，在量产血红素衍生物和血红蛋白方面仍面临持续的挑战。未来，可能需要通过识别血红素合成中的限速步骤、增强血红素输入物的能力、增加调控元素的数量以及在微生物细胞工厂中引入高效酶来进一步提高生物生产效率。
期刊介绍
Critical Reviews in Biotechnology期刊发表与燃料生产和废物管理行业有关的生物技术研究，包括发酵和基因操作。
期刊支持以开放获取的模式发表文章，有效提升研究影响力！
*注：本文根据文章原文翻译整理。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。
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