微細藻類におけるカロテノイド生合成の酵素のゲノムベースの同定と比較分析

微細藻類は、カロテノイドの市販の生産のための潜在的な原料ですが、藻類の系統を横切るカロテノイド生合成の代謝経路はほとんど未開拓です。この研究は、バイオインフォマティクスと比較ジェノムアプローチを通じて微細藻類の微生物のカロテノイド生合成経路と同様に、研究されていないメチルエリスリトール4-リン酸4-リン酸4-リン酸/1-デオキシ-D-キシルロース5-リン酸経路に関連する遺伝子と酵素の包括的な調査を提供する最初の研究です。。その後、候補遺伝子/酵素は、22の微細藻類種のクロロフィタ、西洋植物、ヘテロコンタ、ハプトフィタ、クリプトフィタ、および既知のシロイヌナズナホモログで分析され、シーケンス層の特性の点で進化的発散を研究しました。カロチン、ルテイン、ゼアキサンチン、ビオラキサンチン、カンタキシン、アスタキサンチンで重要な役割を果たす合計403の酵素が解明されました。これらのうち、85は生物学的役割がまだ実験的に特徴付けられていない仮想タンパク質でした。これらの仮想タンパク質の推定機能は、タンパク質ファミリー、モチーフ、固有の物理化学的特徴、細胞内局在、経路分析などの包括的な調査を通じて成功裏に割り当てられました。さらに、これらの酵素は、保存されたドメインおよび遺伝子オントロジーに従って主要なクラスに分類されました。微細藻類ゲノム全体で保存された観察された機能的なシグネチャシーケンスも特定されました。さらに、Dunaliella Salinaの重要なレート制限ステップを触媒する3つの重要な酵素、DXR、PSY、およびZDSの構造モデリングとアクティブサイトアーキテクチャが達成されました。酵素は、100 nsの分子動力学シミュレーション中に明らかにされたように、立体化学的に信頼性があり安定していることが確認されました。個々の重要な酵素に関する詳細な機能情報は、カロテノイド含有量が強化された遺伝子組み換え藻類株の設計に確実に役立ちます。

Microalgae are potential feedstocks for the commercial production of carotenoids, however, the metabolic pathways for carotenoid biosynthesis across algal lineage are largely unexplored. This work is the first to provide a comprehensive survey of genes and enzymes associated with the less studied methylerythritol 4-phosphate/1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate pathway as well as the carotenoid biosynthetic pathway in microalgae through bioinformatics and comparative genomics approach. Candidate genes/enzymes were subsequently analyzed across 22 microalgae species of lineages Chlorophyta, Rhodophyta, Heterokonta, Haptophyta, Cryptophyta, and known Arabidopsis homologs in order to study the evolutional divergence in terms of sequence-structure properties. A total of 403 enzymes playing a vital role in carotene, lutein, zeaxanthin, violaxanthin, canthaxanthin, and astaxanthin were unraveled. Of these, 85 were hypothetical proteins whose biological roles are not yet experimentally characterized. Putative functions to these hypothetical proteins were successfully assigned through a comprehensive investigation of the protein family, motifs, intrinsic physicochemical features, subcellular localization, pathway analysis, etc. Furthermore, these enzymes were categorized into major classes as per the conserved domain and gene ontology. Functional signature sequences were also identified which were observed conserved across microalgal genomes. Additionally, the structural modeling and active site architecture of three vital enzymes, DXR, PSY, and ZDS catalyzing the vital rate-limiting steps in Dunaliella salina were achieved. The enzymes were confirmed to be stereochemically reliable and stable as revealed during molecular dynamics simulation of 100 ns. The detailed functional information about individual vital enzymes will certainly help to design genetically modified algal strains with enhanced carotenoid contents.