진화와 대사공학을 통한 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)의 포도당과 자일로스로부터 뮤콘산 생산
Nature Communications 13권, 기사 번호: 4925(2022) 이 기사 인용
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뮤콘산은 기존 석유화학 제품 및 성능이 유리한 바이오 제품을 직접 대체하는 화학 물질로 전환될 수 있는 생물학적 특권 분자입니다. 본 연구에서 Pseudomonas putida KT2440은 이론적 수율을 최대화하기 위해 모델 기반 전략을 사용하여 리그노셀룰로오스 가수분해물의 주요 탄수화물인 포도당과 자일로스를 뮤콘산으로 전환하도록 설계되었습니다. D-자일로스 이소머라제 경로를 발현하도록 조작된 균주에서 적응형 실험실 진화(ALE) 및 대사 공학을 사용하여 우리는 이종 D-자일로스:H+ 공수송체(XylE)의 돌연변이가 주요 촉진자 수퍼패밀리 수송체(PP_2569)의 발현을 증가시킨다는 것을 입증합니다. ) 및 천연 3-데히드로퀴네이트 신타제를 코딩하는 aroB의 과발현은 포도당과 자일로스로부터 동시에 효율적인 뮤콘산 생산을 가능하게 합니다. 합리적으로 조작된 균주를 사용하여 우리는 0.18g L−1 h−1 및 46% 몰 수율(최대 이론 수율의 92%)에서 33.7g L−1 뮤코네이트를 생산합니다. 이 공학적 전략은 리그노셀룰로오스 당으로부터 다른 shikimate 경로 유래 화합물을 생산하는 데 유망합니다.
리그노셀룰로오스로부터 바이오 연료 및 생화학 물질을 생산하기 위한 경제적인 공정의 개발은 화석 연료 소비와 관련된 인위적 온실가스 배출을 줄이는 데 매우 중요합니다1,2. 생화학적 생산을 위해 탐구된 대사 공간의 다양한 영역 중에서 미생물 방향족 이화 경로의 분자는 상당한 화학적 다양성을 나타냅니다3,4. 참고로, cis,cis-muconic acid(이하 muconate)는 리그닌 유래 방향족 화합물, 탄수화물 및 폐플라스틱 유래 방향족 화합물에서 생산될 수 있는 카테콜 이화 경로의 인기 있는 플랫폼 화학물질입니다5,6,7,8,9 ,10,11,12. 뮤코네이트는 아디프산 및 테레프탈산5,14,15과 같은 직접 대체 화학물질로 전환되거나 성능이 유리한 바이오제품16,17,18,19,20,21,22,23,24로 전환될 수 있는 생물학적 특권 분자입니다13. .
탄수화물로부터의 뮤코네이트 생산은 방향족 아미노산 생합성을 위한 shikimate 경로를 기반으로 하며 재조합 대장균5에서 처음으로 입증되었습니다. 에리트로스-4-인산염(E4P)과 포스포에놀피루베이트(PEP)는 축합되어 3-데옥시-d-아라비노헵툴로소네이트 7-인산염(DAHP)을 형성하고, 이는 추가로 3-디히드로시키메이트(3-DHS)로 전환됩니다. 시키메이트 통로. 3-DHS에서 뮤코네이트 생합성에 대해 최소한 5가지 경로가 보고되었습니다25,26,27,28,29,30. 이러한 경로 중 하나는 3-DHS 탈수소효소(asbF)를 통해 중간 프로토카테츄에이트(PCA)를 통해 진행되며 다른 경로보다 최대 이론적 수율이 더 높으며, 이는 shikimate 탈수소효소(aroE)를 통해 shikimate를 통해 진행됩니다(그림 1a). )29.
전반적인 대사 공학 전략의 도식. 자일로스를 활용하기 위해, E. coli로부터 xylE, d-자일로스 이소머라제(xylA), 자일룰로키나제(xylB), 트랜스알돌라제(tal) 및 트랜스케톨라제(tkt)를 이종 발현시켰다. E4P와 PEP는 피드백 저항성 DAHP 신타제(aroGD146N)를 통해 응축되어 DAHP를 형성했습니다. DAHP를 뮤코네이트(MA)로 전환하기 위해 Bacillus cereus의 3-DHS 탈수효소(asbF)와 Enterobacter cloacae의 PCA 탈탄산효소(aroY) 및 이에 상응하는 보조인자 생성 단백질(ecdB)을 암호화하는 유전자가 이종적으로 분리되었습니다. 표현했다. aroB와 카테콜 1,2-다이옥시게나제(catA)가 과발현되었습니다3,32. 대장균(ubiC-C22)40에서 조작된 코리스메이트 피루베이트 분해효소가 과발현되어 코리스메이트(CSA)를 4-하이드록시벤조에이트(4HB)로 전환시켰으며, 이는 PCA 및 MA로 전환될 수 있습니다. 삭제된 유전자는 빨간색으로 표시됩니다. 자일로네이트나 글루코네이트의 형성을 방지하기 위해 포도당 탈수소효소(gcd)를 제거했습니다. 포도당-6-인산 이성질화효소인 pgi-1과 pgi-2는 각각 이전에 삭제되었지만3,32 이 연구에서는 pgi-1이 복원되었습니다. PEP에 대한 경쟁을 줄이기 위해 피루베이트 키나아제 pykA 및 pykF를 각각 삭제했습니다. MA를 축적하기 위해 각각 PCA의 개환 및 MA의 이화작용을 방지하기 위해 pcaHG 및 catBC를 삭제했습니다. P 인산염, 2-KGn 2-케토글루코네이트, 2-KG-6-P 2-케토글루코네이트-6-P, G6P 포도당-6-P, 6PG 6-포스포글루코네이트, KDPG 2-케토-3-데옥시-6-포스포글루코네이트, G3P 글리세르알데히드-3-P, FBP 과당-1,6-P2, F6P 과당-6-P, S7P 세도헵툴로스-7-P, R5P 리보스-5-P, Ri5P 리불로스-5-P, 3PG 3-포스포글리세레이트, CAT 카테콜, SA 시키메이트, S3P 시키메이트-3-포스페이트, ICIT 이소시트레이트, CIT 시트레이트, AKG 알파-케토글루타레이트, SUCC 숙시네이트, FUM 푸마르산염, MAL 말산염, GLX 글리옥실레이트, OAA 옥살로아세테이트, AcCoA 아세틸-코엔자임 A. b 최대의 대사 모델링 pgi-1 유무에 관계없이 이론적 뮤코네이트 몰 및 탄소 수율. 파란색 선은 asbF 경로를 나타내고 빨간색 선은 aroE 경로를 나타내며 실선은 % 몰 수율을 나타내고 점선은 % 탄소 수율을 나타냅니다. 회색 영역은 33~40%(균형 포도당 포함)로 소비된 자일로스의 몰 백분율을 나타내며, 이는 옥수수대 가수분해물의 조성을 모방합니다. c 포도당과 자일로스에 대한 QP328 균주의 진탕 플라스크 배양. % 몰 수율은 [mM 뮤코네이트/mM(글루코스 + 자일로스) × 100]로 계산되었으며, % 탄소 수율은 [mM 뮤코네이트 × 6/mM(글루코스 × 6 + 자일로스 × 5) × 100]으로 계산되었습니다. 오차 막대는 생물학적 삼중의 표준 편차를 나타냅니다. 소스 데이터는 소스 데이터 파일로 제공됩니다.
For shake flask and growth curve experiments, seed cultures were inoculated from glycerol stocks into 14-mL round bottom Falcon® tubes containing 5 mL of LB Miller medium and incubated overnight at 30 °C and 225 rpm. Overnight cultures were then inoculated into a 125-mL baffled shake flask containing 10 mL LB medium to an initial OD600 of 0.2. These second seed cultures were cultivated at 30 °C at 225 rpm for 4 h to reach an OD600 of ~2. The second seed cultures were washed twice with M9 salts (6.78 g L−1 Na2HPO4, 3 g L−1 KH2PO4, 0.5 g L−1 NaCl, 1 g L−1 NH4Cl) and then inoculated into a 125-mL baffled shake flask containing 25 mL modified M9 minimal medium (6.78 g L−1 Na2HPO4, 3 g L−1 KH2PO4, 0.5 g L−1 NaCl, 1 g L−1 NH4Cl, 2 mM MgSO4, 100 µM CaCl2, 18 µM FeSO4) supplemented with either 30 mM xylose, 30 mM glucose, or mixture of 30 mM glucose and 15 mM xylose, to an initial OD600 of 0.1. The molar ratio of glucose and xylose in mixed substrates is 2:1, which is the ratio typical of corn stover hydrolysates10% v/v) during fermentation without hydrolysate purification or concentration. Energy Environ. Sci. 9, 1237–1245 (2016)." href="/articles/s41467-022-32296-y#ref-CR56" id="ref-link-section-d4408857e3149"56. All growth curves were characterized on Bioscreen C Pro analyzers (Growth Curves US) using 300-µL cultures inoculated as described for the shake flasks above. Shake flasks and plate reader data were plotted and analyzed using GraphPad Prism version 8.4.2. Absolute growth rate (μA) and growth lag (λ) were calculated based on Gompertz equation using default settings of the FittR tool deposited in GitHub (https://github.com/scott-saunders/growth_curve_fitting)57. In some cases, death phase was removed from the growth curve to fit the model./p> Cells were inoculated in 0.5 L bioreactors (BioStat-Q Plus, Sartorius Stedim Biotech) at an initial OD600 of 0.2. The batch phase consisted of growth on 300 mL of modified M9 with 10.6 g L−1 glucose and 4.4 g L−1 xylose, which mimics the sugar ratio in sugar hydrolysates from corn stover10% v/v) during fermentation without hydrolysate purification or concentration. Energy Environ. Sci. 9, 1237–1245 (2016)." href="/articles/s41467-022-32296-y#ref-CR56" id="ref-link-section-d4408857e3452"56. The fed-batch phase was initiated when the sugar concentration was approximately 7 g L−1, at which point sugars were fed to maintain sugar concentrations between ~2–10 g L−1 by manually modifying feeding rates. The feeding solution contained 353 g L−1 glucose and 147 g L−1 of xylose, and its pH was adjusted to pH 7 with NaOH. The bioreactors were controlled at pH 7 by the addition of 4 N NH4OH, at 30 °C, and air was sparged at 1 vvm. The initial agitation speed in the batch phase was 350 rpm. When the dissolved oxygen (DO) reached a value of 30%, it was automatically controlled at that level by automatic agitation adjustments. Samples were taken periodically to evaluate bacterial growth and to analyze sugar concentrations and muconate./p>