Использование синтетического оборудования для повышения выхода углерода с ацетилфосфатом в качестве основы.

Nature Communications, том 14, номер статьи: 5286 (2023) Цитировать эту статью

172 доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

На фабрике микробных клеток выброс CO2 при производстве ацетил-КоА из пирувата значительно снижает экономию атомов углерода. Здесь мы конструируем и оптимизируем синтетический путь сохранения углерода, называемый циклом седогептулозо-1,7-бисфосфатазы с трифункциональной фосфокетолазой (SCTPK) в Escherichia coli. Этот цикл основан на универсальной фосфокетолазе Xfspk и преобразует глюкозу в стехиометрические количества ацетилфосфата (AcP). Более того, создаются генетические цепи, реагирующие на AcP положительно или отрицательно. Вместе с SCTPK они составляют генно-метаболический осциллятор, который регулирует Xfspk и ферменты, автономно превращающие AcP в ценные химические вещества в ответ на внутриклеточный уровень AcP, рационально распределяя метаболический поток и улучшая экономию атомов углерода в процессе биоконверсии. Используя это синтетическое оборудование, мевалонат получают с выходом, превышающим его естественный теоретический выход, и достигаются самые высокие титр и выход 3-гидроксипропионата по пути малонил-КоА. Это исследование предлагает стратегию повышения выхода углерода на фабриках по производству микробных клеток.

В последнее время биопроизводство нужных химикатов и материалов набирает обороты благодаря их экологичности и практической целесообразности. В процессах проектирования и строительства заводов по производству микробных клеток ключевым вопросом является улучшение потоков к интересующему продукту и максимизация экономии атомов углерода1. Это весьма важно, особенно в условиях глобального достижения углеродного пика и углеродной нейтральности. Ядром любой метаболической сети микроорганизма является высокопоточный остов, обычно называемый центральным метаболизмом2, отвечающий за преобразование первичных входных субстратов в энергию и ряд строительных блоков для производства клеточных полимеров и считающийся неизменным операционная система клетки3. Следовательно, если мы хотим создать синтетический механизм, который превратит живой организм в действительно продуктивную биофабрику, помимо оптимизации пути биосинтеза как отдельной единицы, успешный биоинженерный подход должен также изменить эндогенную метаболическую сеть хозяина, особенно его центральный метаболизм. , для поддержки процесса биопроизводства4. В микроорганизмах ацетил-коэнзим А (ацетил-КоА) является не только основным метаболитом в центральных метаболических путях, но также предшественником многочисленных промышленно важных продуктов5,6,7. Таким образом, переписывание центрального метаболизма микроорганизмов для обеспечения большого количества ацетил-КоА с экономией атомов углерода принесет пользу биопроизводству широкого спектра химических веществ и материалов.

Типичная стратегия повышения выхода ацетил-КоА заключается в устранении потока углерода к конкурирующим путям и сверхэкспрессии важного фермента для обеспечения достаточного производства ацетил-КоА8,9. Этот подход более прямолинеен и прост по конструкции, но фактически не увеличивает теоретический выход углерода целевого химического вещества. Природные микроорганизмы обычно превращают глюкозу в ацетил-КоА посредством гликолиза вместе с декарбоксилированием пирувата пируватдегидрогеназой, при котором из каждого моля глюкозы образуется 2 моля ацетил-КоА и 2 моля CO210. Этот выброс CO2 вызывает значительное снижение атомной экономии целевого химического пути биосинтеза, что представляет собой основную потерю углерода в микробном метаболизме углерода и биопереработке11. Чтобы решить эту проблему, был разработан путь синтетического неокислительного гликолиза (NOG) (дополнительный рисунок 1), превращающий глюкозу в стехиометрические количества ацетилфосфата (AcP), который далее катализируется фосфатацетилтрансферазой до ацетил-КоА12. Эта конфигурация NOG основана на перегруппировке углерода и фосфокетолазе, которая катализирует необратимое превращение фруктозо-6-фосфата (F6P) или ксилулозо-5-фосфата (X5P) в AcP и эритрозо-4-фосфат (E4P) или глицеральдегид-3-фосфат ( ГАП) соответственно.