番茄红素是一类C₄₀的异戊二烯化合物，最早从番茄中获得，因此称作番茄红素^[1]。1837年Hartsen首次提取出这种红色晶体；1910年Willstaller和Escher首次确定其分子式为C₄₀H₅₆；1913年Schunk正式将这种深红色针状晶体命名为番茄红素,由于其具有极强的氧化性、抗癌和抗炎作用而备受人所关注。以此带来的预防心脑血管疾病、延缓衰老、提高免疫力的功效而被广泛用于食品、药剂、保健品和化妆品等行业^[2]。

1. 获取番茄红素的方法

目前已知的获取番茄红素的方法有三种。分别为天然提取法、化学合成法和微生物发酵法^[3]。天然提取法普遍采取的方法为有机溶剂提取法，其虽不工艺复杂，但成本高，提取率低，提取时间长且受季节影响较大而少有采用；化学合成法以乙酸松油脂等为原料的制作工艺较为繁琐，虽成本较低，但其合成中产生的中间代谢产物导致的毒副作用制约了规模化生产。而微生物发酵法因其工艺简单，可操作性强等优点，易于大规模生产，产率较高引起众多瞩目。现如今主要的微生物发酵是采用三孢布拉氏霉菌来生产，然而其低生长率和低番茄红素效价阻碍了工业应用^[4]。随着番茄红素合成途径的阐明和相关酶基因的克隆，利用基因重组、基因敲除等技术手段对微生物进行改造，调节和修饰番茄红素合成过程中的关键酶，并调控番茄红素的代谢过程，以此构建高产番茄红素基因工程菌来提高番茄红素的产量。微生物发酵法安全无毒，并能解决番茄红素产量低、存在副产物、提取成本高等一系列问题，具有巨大的实用价值和开发前景^[5]，因此微生物发酵法是未来最主要的研究方向。

2. 生物合成番茄红素途径

番茄红素是异戊二烯类化合物，在生物体内通过甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径或羟甲戊酸（MVA）途径合成^[6]。MEP途径通过在细菌、原核生物和植物的质体中，由8个基因编码的蛋白顺序催化构成，在MEP途径中，丙酮酸和甘油醛-3-磷酸经催化生成1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸(DXP)，后又转化为MEP，再经过一系列酶的催化，生成番茄红素的合成前体异戊二烯焦磷酸（IPP）和二甲基丙烯焦磷酸酯(DMAPP)。MVA途径存在于所有真核细胞，细胞质和植物的线粒体中，起始于乙酰辅酶A，生成乙酰乙酰辅酶A，再经羟甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG-COA）生成MVA，之后再经几步激酶催化反应生成IPP。

图1 生物体中番茄红素的合成途径

3. 工程菌的构建和调控

3.1多酶合成常规构建

目前，主要利用传统的基因工程手段对番茄红素代谢途径进行探索并鉴定了一些关键酶，构建多基因共表达质粒对关键基因进行异源表达。实验证明通过基因工程技术构建多顺反子表达番茄红素合成基因，可以将原本不产生色素的大肠杆菌、酵母等菌株变成产生色素的菌株，从而生产发酵得到番茄红素。Jin等^[7]将来源于Deinococcus wulumiqiensis R12的crtE、crtB、crtI基因克隆至表达载体pET22b上，导入大肠杆菌后产生番茄红素49mg/g DCW，发酵液中产量为417mg/L。

3.2基因顺序调控