合成機械を使用してアセチルリン酸をコアとして炭素収率を向上させる

Nature Communications volume 14、記事番号: 5286 (2023) この記事を引用

172 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

微生物細胞工場では、ピルビン酸からアセチル CoA を生産する際の CO2 放出により、炭素原子の経済性が大幅に低下します。 ここでは、大腸菌における三機能性ホスホケトラーゼ (SCTPK) によるセドヘプツロース-1,7-ビスホスファターゼ サイクルと名付けられた合成炭素保存経路を構築し、最適化します。 このサイクルは一般的なホスホケトラーゼ Xfspk に依存し、グルコースを化学量論量のアセチルリン酸 (AcP) に変換します。 さらに、AcP にプラスまたはマイナスに反応する遺伝子回路が作成されます。 SCTPK とともに、これらは Xfspk と、細胞内 AcP レベルに応じて自律的に AcP を価値のある化学物質に変換する酵素を制御する遺伝子代謝振動子を構成し、代謝フラックスを合理的に割り当て、生物変換プロセスの炭素原子経済を改善します。 この合成装置を使用すると、メバロン酸が本来の理論収量よりも高い収率で生成され、マロニル-CoA 経路を介した 3-ヒドロキシプロピオン酸の最高の力価と収率が達成されます。 この研究は、微生物細胞工場の炭素収量を改善するための戦略を提供します。

近年、環境への配慮や実用化の可能性から、目的の化学物質や材料をバイオ生産する動きが活発になっています。 微生物細胞工場の設計および構築プロセスにおける重要な問題は、目的の製品へのフラックスを改善し、炭素原子の経済性を最大化することです1。 これは、特にカーボンピークとカーボンニュートラルが世界的に達成されている状況下では非常に重要です。 微生物の代謝ネットワークの中核は、一般に中心代謝 2 と呼ばれる高流束バックボーンであり、主要な入力基質のエネルギーへの変換と、細胞ポリマーの生産のための一連の構成要素を担当し、不変の要素と考えられています。 Cell3のオペレーティングシステム。 したがって、生きている有機体を真に生産的なバイオファクトリーに変換する合成機械を構築したい場合、独立した単位として生合成経路を最適化することとは別に、生物工学的アプローチを成功させるには、宿主の内因性代謝ネットワーク、特にその中心代謝も曲げる必要があります。 、生物生産プロセスをサポートする4。 微生物において、アセチル補酵素 A (アセチル CoA) は、中心代謝経路の基本代謝産物であるだけでなく、多数の産業関連製品の前駆体でもあります 5、6、7。 したがって、微生物の中心代謝を書き換えて、高い炭素原子効率でアセチルCoAを豊富に供給することは、多種多様な化学物質や材料の生物生産に利益をもたらすだろう。

アセチル CoA 収率を向上させるための典型的な戦略は、競合する経路への炭素流入を排除し、重要な酵素を過剰発現させてアセチル CoA の十分な生産を確保することです 8,9。 このアプローチは設計がより単純で単純ですが、実際には対象化学物質の理論上の炭素収量は増加しません。 天然微生物は通常、ピルビン酸デヒドロゲナーゼによるピルビン酸の脱炭酸と解糖経路を介してグルコースをアセチル-CoAに変換し、グルコース1モルあたり2モルのアセチル-CoAと2モルのCO2が生成されます10。 この CO2 の放出は、標的となる化学生合成経路の原子経済の大幅な減少を引き起こし、微生物の炭素代謝と生物精製における主要な炭素損失を表します 11。 この問題を解決するために、合成非酸化的解糖（NOG）ルートが開発され（補足図1）、グルコースを化学量論量のアセチルリン酸（AcP）に変換し、リン酸アセチルトランスフェラーゼによってアセチルCoA12にさらに触媒されます。 この NOG 構成は、炭素再配列と、フルクトース-6-リン酸 (F6P) またはキシルロース-5-リン酸 (X5P) の AcP およびエリスロース-4-リン酸 (E4P) またはグリセルアルデヒド-3-リン酸への不可逆的変換を触媒するホスホケトラーゼ (ギャップ）、それぞれ。