全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2009年第 2期·综述与专论·
收稿日期：2008-07-23
基金项目：浙江省生物化工重中之重学科开放基金
作者简介：李焱生（1986-）,男，江西九江人，硕士研究生，专业方向：应用微生物学与基因工程；E-mail:lihuiyao1986@163.com
通讯作者：钟卫鸿，Tel：0571-88320658，E-mail：whzhong@zjut.edu.cn
辅酶 Q 是一种天然存在的脂溶性醌类化合
物，主要存在于原核生物细胞质膜和真核生物线粒
体内膜中，结构上是由苯环和长度不同的类异戊二
烯侧链两部分构成。由于不同生物中聚异戊二烯焦
磷酸合成酶的编码不同，使得不同的生物体产生的
辅酶 Q 种类各不相同 ，如酿酒酵母 、大肠杆菌 、弱
氧化葡糖杆菌中主要分别为聚六，八，十异戊二烯
焦磷酸合成酶， 编码基因分别为 ispB，coq1 和 dds-
A，产物分别为 CoQ6，CoQ8 和 CoQ10[1]。 其中 CoQ10 有
着许多重要的生理功能。 CoQ10 可以作为细胞呼吸
链的一部分参与细胞的能量代谢 [2]；作为一种重要
的抗氧化剂保护细胞膜中的磷脂和血清中低密度
脂蛋白免遭脂质过氧化损伤 ， 最近有研究表明
CoQ10 还可以保护线粒体膜蛋白以及 DNA 免受自
由基的氧化损伤 [3]；另外 ，CoQ10 还可以参与基因的
表达调控 [4]。 这些重要的生理功能使得 CoQ10 颇受
国内学者的关注， 同时也使得 CoQ10 的市场需求不
段增加，所以提高 CoQ10 的产量显得尤为重要。
目前生产 CoQ10 有 3 种方法 ：动植物组织提取
法、微生物发酵法和化学合成法。 目前国内主要采
取动植物组织提取法 ， 国外多采用微生物发酵法
生产 CoQ10。 微生物法生产 CoQ10 具有经济、不受原
料的限制 、易大规模生产 、分离纯化 、产品活性好
等特点， 因此颇受研究者的青睐 。 但是由于受菌
种、发酵工艺以及下游提取的工艺的限制 ，微生物
法生产得到的 CoQ10 的产量不高 ，目前还无法满足
工业化生产的要求。 通过诱变育种、构建工程菌 、
优化发酵工艺、优化提取纯化工艺等策略 ，能最大
限度地提高 CoQ10 的产量， 有望实现 CoQ10 的工业
化生产。
微生物法高产辅酶 Q10的研究进展
李焱生 方建军 钟卫鸿
（浙江工业大学生物与环境工程学院，杭州 310032）
摘 要： 辅酶Q10是呼吸链上的一种电子传递体，具有抗氧化功能。微生物法生产辅酶Q10具有产物活性高、原料
成本低并可以通过规模放大提高生产能力等优点。综述了微生物法生产辅酶Q10的生产菌种，以及能够提高辅酶Q10产
量的各种不同的方法策略。
关键词： 抗氧化 辅酶Q10 电子传递体 发酵 呼吸链
Advance in High-production of Coenzyme Q10
by Microorganisms
Li Yansheng Fang Jianjun Zhong Weihong
（College of Biological and Environmental Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032）
Abstract： Coenzyme Q10（CoQ10） as an electron carrier in the respiration chain with antioxidant activity，has
extended to wide applications in the fields such as medicine，cosmetic and health products. The production of Coenzyme
Q10by microbial fermentation featares high activity and low cost. The yield of CoQ10can be increased by fermentation
scale-up. This paper reviewed several kinds of microorganisms that have been used to produce Coenzyme Q10and
various strategies to improve the CoQ10pr duction in microbes.
Key words： Antioxidant Coenzyme Q10 Electron carrier Fermentation Respiration chain
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 2期
1 CoQ10的生产菌种
能够产 CoQ10 的微生物种类较多， 真核和原核
微生物都能够作为 CoQ10 的生产菌种。 所涉及的微
生物超过 34 个属 ，包括假单胞菌属 （Pseudo monas
aeruginosa）、土壤杆菌属 （Agrobacterium sp.）、氧化
葡糖杆菌属（Gluconobacter oxydans）、英膜红细菌属
（R.capsulatus）、浑球红细菌属（R.sphaeroides）、脱氮
副球菌属（Paracocus denitrificans）、热带假丝酵母属
（Candida tropicalis） 和脱氮假单孢菌属 （Paracoccus
denitrificans）等。 这些菌种都可以直接从自然界中
筛选得到 ， 但不同菌种的 CoQ10 产量相差较大 。
Yoshida 等 [5]通过摇床培养试验鉴定了 34 株细菌菌
株产 CoQ10 的情况， 其中 29 株可以产 CoQ10， 并且
A. tumefaciens KY-3085，A. radiobacter KY-3086 和
R. sphaeroides KY-4113 所产的 CoQ10 超过 60 mg/L。
2 提高 CoQ10产量的基本方法
影响 CoQ10 产量的因素较多， 一般从自然界中
筛选到的野生型菌种产量都比较低，不能满足生产
的需要。通常可以利用各种手段对原始菌株进行遗
传改造，突破微生物自身的代谢调控机制，从而提
高微生物的产量。例如通过选育具有结构类似物抗
性、营养缺陷型突变株或将某些关键酶基因进行克
隆，构建目的工程菌株。 再通过进一步优化生产菌
种的发酵工艺从而极大地提高原始菌种 CoQ10 的产
量。
2.1 传统诱变育种
使用诱变手段对野生型菌株进行基因突变，再
通过适当的筛选方法，得到产量显著提高或者发酵
特性显著改善的突变株如营养缺陷型或抗结构类
似物突变株等。
Yoshida[5]发现与 R. sphaeroides KY-4113 相比 ，
用 A. tumefaciens KY-3085 作为 CoQ10 的生产菌株
有很多不足 ，如菌落光滑不易收集菌体，发酵液的
黏度大，CoQ10 产量低。以 NTG 为诱变剂，A. tumefa-
ciens KY-3085 为出发菌株，筛选到了一株菌落粗糙
的突变株 A. tumefaciens A-9，且该突变株的培养液
黏度得到显著改善。再以 A. tumefaciens A-9 为出发
菌株经过诱变，用乙硫氨基酪酸、道诺霉素、维生素
K3 以及 X-gal 作为筛选压力筛选到了一系列结构
类似物抗性突变株 A. tumefaciens M-37，Q-13，AJ-
24，AP-37 和 AU-55，CoQ10 的产量较原始菌株 A.
tumefaciens KY-3085 均有提高。
戚薇等 [6]以土壤杆菌（A grobacterium sp.）TLY24
为出发菌株， 采用 70%致死剂量的 NTG 进行诱变
处理 ， 筛选抗 CoQ10 结构类似物——维生素 K3 突
变株， 定向选育到了 2 株 CoQ10 高产突变株土壤杆
菌 R2122 和 R2015。 其摇瓶发酵 72 h，CoQ10 产量分
别为 57. 3 mg L-1 和 59. 9 mg L-1， 较出发菌株提高
了 35. 7 %和 41. 6 %。
潘春梅等 [7]以放射型根瘤菌（Rhizobium radiob-
acter）WSH260 为出发菌株，选择 UV 射线和亚硝基
胍作为诱变剂， 在筛选获得放线菌素 D 抗性突变
株的基础上，进一步诱变处理，分别获得了放线菌
素 D 和 L-乙基硫氨酸双抗性突变株、 放线菌素 D
和维生素 K3 双抗性突变株，以及抗放线菌素 D 和
X-gal 利用能力提高的突变株。与出发菌株相比，突
变株 CoQ10 的产量提高幅度达 25%～37%。其中一株
放线菌素 D 和 L-乙基硫氨酸双抗性突变株 WSH2
E25，胞内 CoQ10 含量和 CoQ10 总产量分别达到 2.86
mg（DCW）g-1和 40mg L-1，均比出发菌株提高了 37%。
此外，芳香族氨基酸的结构类似物以及呼吸抑
制剂也可以作为选择压力从突变库中筛选出 CoQ10
产量提高的正突变株 [5]。 Choi 等 [8]考察了溶氧水平、
叠氮化物、二硝基酚以及过氧化氢对 A.tumefaciens
ATCC4452 胞内 CoQ10 含量的影响 。 试验发现当限
制溶氧水平或者添加电子流抑制剂时均能提高胞
内 CoQ10 含量。
2.2 代谢工程育种
代谢工程即利用重组 DNA 技术通过改变细胞
内有关的酶活、酶量和输送体系、调节功能，改变细
胞的遗传特性以改进微生物某些代谢活性，最大限
度地提高目的产物产率的一门技术 [9]。 代谢工程研
究通常包括两部分：一部分是对细胞体系进行系统
分析，主要表现为对细胞代谢流，代谢网络及代谢
控制分析；另一部分是根据分析结果对目的菌株进
行遗传改造，改变代谢流向，开辟新的代谢途径，构
建可用于工业生产的优良菌株 [10]。
代谢流量分析（Metabolic Flux Analysis，MFA）是
通过对生物体内代谢流的分布及其变化规律的了
解，在一定的培养条件下计算流经各种代谢途径的
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相关代谢物质流量的技术 [11]。 吴祖芳等 [12]分析了放
射型根瘤菌 （R. radiobacter）WSH2601 生物合成辅
酶 Q10 的代谢途径网络， 并在溶氧条件改变， 向培
养基中添加玉米浆条件下对 CoQ10 发酵细胞内代谢
途径流量变化作定量的分析。 结果表明 CoQ10 的生
物合成更大程度地取决于 CoQ10 生物合成途径中催
化 DPP 的合成和 4-羟基苯甲酸（PHB）与 DPP 的缩
合反应的两种关键酶的活性。
CoQ10 的生物合成途径中有两个很重要的关键
酶 ：4-羟基苯甲酸-聚异戊二烯焦磷酸转移酶和聚
十戊二烯焦磷酸合成酶。这两种酶在不同的微生物
中由不同的基因编码。
4-羟基苯甲酸-聚异戊二烯焦磷酸转移酶催化
PHB 与 PPP 的缩合反应， 这是辅酶 Q 生物合成途
径中的限速步骤。 该酶对 PPP 的专一性不强，在大
肠杆菌中由 ubi A 编码。 将 ubi A 基因置于光合细
菌启动子的控制之下，可以实现在光合细菌中的大
量表达。 由于 ubi A 基因表达产物取代或增强了光
合细菌内源性的 4-羟苯甲酸-聚异戊二烯焦磷酸转
移酶的活性，使重组光合细菌合成 CoQ10 的能力大
幅度提升 [13]。
聚十戊二烯焦磷酸合成酶催化 FPP 与若干
IPP 缩合成一定链长的 PPP， 并控制着聚异戊二烯
侧链的长度，因此决定了辅酶 Q 的种类。 Jung-Kul
Lee 等 [14]将从 A. tumefaciens 中分离到的编码聚十
戊二烯焦磷酸合成酶的基因 dps 克隆到大肠杆菌
中，发现含有 dsp 基因的 E.coli 除了产辅酶 Q8 以外
还产生了 CoQ10，当 dsp 基因发生突变后重组 E. coli
丧失了合成 CoQ10 的能力。 Takahashi 等 [15]将来自 P.
denitrificans 的聚十戊二烯焦磷酸合成酶克隆到 E.
coli 中，重组 E. coli 不仅能够合成 CoQ10，而且 CoQ10
的合成水平大于 CoQ8。
另外， 将 CoQ10 合成途径中的多个酶基因同时
克隆到受体细胞中， 可以强化 CoQ10 生物合成的代
谢流， 使得受体细胞合成 CoQ10 的能力得到增强。
Zhang 等 [16]将来自 A.tumefaciens 的 dps 基因分别与
来自酿酒酵母的 coq2， 来自 S .pombe 的 ppt1 基因
以及来自 E. coli 的 ubiA、ubiC 基因组成由单一启
动子控制的重组质粒， 转化到 A.tumefaciens 中，得
到含有 4 种重组质粒的转化子 （pBIV-dps，pBIV-
dpsq，pBIV-dpsp 以及 pBIV-dpsca）。 试验发现含有
pBIV-dpsca 的重组 A. tumefaciens CoQ10 的产量较其
他重组子和非重组子都要高。在微氧补料分批发酵
时，含有 pBIV-dpsca 的重组 A. tumefaciens CoQ10 含
量达到了 30.8 mg L-1，较非重组 A.tumefaciens CoQ10
的产量和产率分别提高了 88.9% 和 77.7%。
Zahiri 等 [17]将 A. tumefaciens 的 ddsA 基因引入
E.coli 中， 得到的重组 E. coli 在初始 pH 为 7.0 的
2YTG 培养基上培养，CoQ10 的产量可以达到 470 mg
（DCW）g-1。 在此基础上，再通过代谢工程的手段将
外源的 MVA 途径引入大肠杆菌中使得 CoQ10 的产
量进一步提高到 1 706±86 mg（DCW）g-1。
Zhu 等 [18]将参与辅酶 Q 生物合成的各种酶基
因（ubiAC，ubiB，ubiG，ubiH 和 ispB）引入大肠杆菌，
使得重组大肠杆菌中辅酶 Q 的产量是野生型细胞
的 3 倍。
2.3 发酵条件的优化
生产菌种只有在最优的发酵工艺条件才发挥
其高产的潜能，因此对生产菌种的发酵工艺的优化
也是实现高产的一条重要的手段。发酵工艺的优化
主要包括对产 CoQ10 发酵培养基、 培养条件以及培
养模式的优化三个方面。
Ha 等 [19]对 A. tumefaciens KCCM 10413 产辅酶
Q10 的培养条件进行的优化， 发现在诸多影响因素
中 ，pH 和溶解氧是影响辅酶 Q10 产量最关键的因
素。
Wu 等 [20]发现溶解氧的浓度对 R. radiobacter W-
SH2601 有较大的影响， 只有当溶解氧的浓度适度
时 （40%）能够获得较高的 CoQ10 含量和浓度 ，分别
能达到 1.91 mg（DCW）g-1 和 32.1 mg L-1。 并在此基
础上采用了一种新的溶解氧控制的补料策略，从而
提高了 R. radiobacter WSH2601 的生长速度和 CoQ10
的产量。
Ha 等 [21]发现蔗糖的浓度对 A. tumefaciens KCC-
M 10413 产辅酶 Q10 有影响。 在连续补料分批培养
过程中 ， 当蔗糖的浓度从 10 g L-1 增加到 40 g L-1
时，细胞干重、辅酶 Q10 的产率以及产量都会增加。
当使用恒定 pH 控制的补料分批发酵模式时有利
于碳源浓度和渗透压保持在最低水平， 使得 CoQ10
的比产率，产量以及产率均有较大的提高，而且恒
李焱生等：微生物法高产辅酶 Q10的研究进展 61
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 2期
定 pH 控制的补料分批发酵模式易于放大。
Park 等 [22]比较了含有来自 G. suboxydans 聚十
戊二烯焦磷酸合成酶基因的重组大肠杆菌在分批
以及补料分批培养两种培养模式下产 CoQ10 的情
况。试验结果表明重组大肠杆菌在补料分批培养时
能够获得较高的细胞密度 ，CoQ10 的产量较分批培
养要高。
辅酶 Q10 生物合成过程中需要很多前体物质 ，
比如供给侧链合成的前体-茄尼醇以及供给醌环合
成的前体-羟基苯甲酸和 CoQ0。 人为地在发酵培养
基中添加这些前体物也可以提高 CoQ10 的产量。 刘
萍等 [23]通过研究发现向培养中添加茄尼醇、羟基苯
甲酸以及 CoQ0，CoQ10 的产量均有提高，单独添加茄
尼醇 ， 粟酒裂殖酵母的 CoQ10 能达到最大产量为
33.1 mg L-1， 比对照样品增加了 91%。 任何两种前
体物质共同添加都要比单独添加茄尼醇时产量低，
茄尼醇和 CoQ0 共同添加时，单位细胞胞外 CoQ10 的
产量达到最高 （1.35 mg g-1）， 比对照样品增加了
117%。
3 结论与展望
尽管通过诱变的方法获得了一系列产量提高
的突变株，但是这种方法缺乏定向性，需要设计合
适的筛子以提高筛选效率。突变株体内遗传物质结
构的改变往往使得突变株的生长受到影响。 另外，
能够在选择性培养基上生长的突变株不一定就是
正突变株，所以需要采用高通量筛选策略来快速高
效地从突变库中筛选出产量显著提高的正突变株。
与诱变不同的是，代谢工程可以对特定的生化
途径进行定向的遗传修饰。由于大肠杆菌遗传背景
的较为清楚，遗传修饰较容易以及易于大规模发酵
生产等原因， 使得利用代谢工程手段对辅酶 Q10 生
物合成途径进行遗传修饰和改造的研究主要集中
在大肠杆菌中。 但是 E.coli 代谢工程菌的 CoQ10 产
量有限，还不能满足工业化生产的要求。 在构建工
程菌时，有许多重要的问题有待于解决 ，比如重组
大肠杆菌中 CoQ10 的产量是否只受代谢流量的严格
限制，或是还有其他目前没有发现的生理因素的限
制。 这就需要对 CoQ10 生物合成的代谢调控机制和
代谢瓶颈做全面系统地研究。
最后，对 CoQ10 下游提取、纯化工艺及其分析检
测技术进行研究，可能寻找新的最优纯化工序和高
灵敏度的检测手段，进一步提高辅酶 Q10 产量。
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