La lutéine est classée comme un produit chimique xanthophylle abondant dans le jaune d'œuf, les fruits et les légumes. Il protège l'œil des dommages oxydatifs causés par les radiations et réduit le risque de maladies oculaires, notamment la dégénérescence maculaire et la cataracte. Les produits commercialisés contenant de la lutéine sont dérivés des extraits de la fleur de souci, connue pour contenir d'abondantes quantités de lutéine. Cependant, l'inconvénient de la production de lutéine à partir de la nature est qu'il faut beaucoup de temps pour faire pousser et récolter des fleurs de souci. De plus, elle nécessite des extractions physiques et chimiques supplémentaires avec un faible rendement, ce qui la rend économiquement irréalisable en termes de productivité. Le coût élevé et le faible rendement de ces bioprocédés ont rendu difficile la satisfaction de la demande en lutéine.

Ces défis ont inspiré les ingénieurs métaboliques du KAIST, y compris les chercheurs Dr. Seon Young Park, Ph.D. La candidate Hyunmin Eun et l'éminent professeur Sang Yup Lee du Département de génie chimique et biomoléculaire. L'étude de l'équipe a été publiée dans Nature Catalysis le 5 août 2022.

Cette recherche détaille la capacité de produire de la lutéine à partir d'E. coli avec un rendement élevé en utilisant une source de carbone bon marché, le glycérol, via l'ingénierie métabolique des systèmes. Le groupe de recherche s'est concentré sur la résolution des goulots d'étranglement de la voie de biosynthèse pour la production de lutéine construite dans une cellule individuelle. Tout d'abord, en utilisant l'ingénierie métabolique des systèmes, qui est une technologie intégrée pour concevoir le métabolisme d'un micro-organisme, la lutéine a été produite lors de l'introduction de la voie de biosynthèse de la lutéine, bien qu'en très petites quantités.

Pour améliorer la productivité de la production de lutéine, les enzymes goulots d'étranglement dans la voie métabolique ont d'abord été identifiées. Il s'est avéré que les réactions métaboliques impliquant une enzyme de promiscuité, une enzyme impliquée dans deux ou plusieurs réactions métaboliques, et les enzymes du cytochrome P450 nécessitant des électrons sont les principales étapes de goulot d'étranglement de la voie inhibant la biosynthèse de la lutéine.

Pour surmonter ces défis, la canalisation du substrat, une stratégie de recrutement artificiel d'enzymes à proximité physique dans la cellule afin d'augmenter les concentrations locales de substrats pouvant être convertis en produits, a été utilisée pour canaliser davantage de flux métabolique vers le produit chimique cible tout en réduisant le formation de sous-produits indésirables.

De plus, la canalisation d'électrons, une stratégie similaire à la canalisation de substrat mais différente en termes d'augmentation des concentrations locales d'électrons nécessaires aux réactions d'oxydoréduction médiées par P450 et ses partenaires réductases, a été appliquée pour rationaliser davantage le flux métabolique vers la biosynthèse de la lutéine, ce qui a conduit à la titre le plus élevé de production de lutéine atteint chez un hôte bactérien jamais signalé. La même stratégie de canalisation d'électrons a été appliquée avec succès pour la production d'autres produits naturels, notamment la nootkatone et l'apigénine dans E. coli, démontrant l'applicabilité générale de la stratégie dans le domaine de la recherche.

"On s'attend à ce que cette production de lutéine basée sur des cellules microbiennes puisse remplacer le processus actuel basé sur l'extraction de plantes", a déclaré le Dr Seon Young Park, le premier auteur de l'article. Elle a expliqué qu'un autre point important de la recherche est que les stratégies d'ingénierie métabolique intégrées développées à partir de cette étude peuvent être généralement applicables pour la production efficace d'autres produits naturels utiles comme produits pharmaceutiques ou nutraceutiques.

"Comme le maintien d'une bonne santé dans une société vieillissante devient de plus en plus important, nous nous attendons à ce que la technologie et les stratégies développées ici jouent un rôle central dans la production d'autres produits naturels précieux d'importance médicale ou nutritionnelle", a expliqué le professeur distingué Sang Yup Lee. + Explorer plus loin

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