Yarrowia lipolyticaにおけるβ-イオノンの高レベル生産のためのモジュラー経路工学戦略

A modular pathway engineering strategy for the high-level production of β-ionone in Yarrowia lipolytica.

• Yanping Lu
• Qingyu Yang
• Zhanglin Lin
• Xiaofeng Yang

抄録

背景:

GRASおよびオレアギン酵母であるYarrowia lipolytica (Y. lipolytica)は、化学品およびバイオ燃料の生産のための魅力的な細胞工場です。この細胞工場では、異種生合成経路を導入したり、内因性経路を改変したりして、商業的に関心のある多くの天然物の生産が研究されてきた。しかし、天然物の同化には長い経路と複雑な制御が必要であるため、炭素を目的の化合物の生成物に再充填することは、いまだに面倒な作業であり、生産性が低いことが多い。

BACKGROUND: The GRAS and oleaginous yeast Yarrowia lipolytica (Y. lipolytica) is an attractive cell factory for the production of chemicals and biofuels. The production of many natural products of commercial interest have been investigated in this cell factory by introducing heterologous biosynthetic pathways and by modifying the endogenous pathways. However, since natural products anabolism involves long pathways and complex regulation, re-channelling carbon into the product of target compounds is still a cumbersome work, and often resulting in low production performance.

研究成果:

本研究では、Mucor circinelloides由来のcarBと生体機能性carRP、Petunia hybrida由来のカロテノイド切断ジオキシゲナーゼ1(CCD1)を含むカロテノイド原性遺伝子をY. lipolyticaに導入し、3.5mg/Lのβ-イオノンの低産生を達成した。さらに、β-イオノン合成を改善するために、Y. lipolyticaにおけるβ-イオノンの過剰生産のための生合成経路の構築と最適化のためのモジュール工学的戦略を実施した。この戦略には、細胞質アセチル-CoA 供給の強化と MVA 経路フラックスの増加が関与しており、シェイクフラスコ発酵では 358mg/L のβ-イオノン価が得られ、フィードバッチ発酵では約 1g/L（ベースライン株の約 280 倍）が得られました。

RESULTS: In this work, the carotenogenic genes contained carB and bi-functional carRP from Mucor circinelloides and carotenoid cleavage dioxygenase 1 (CCD1) from Petunia hybrida were introduced to Y. lipolytica and led to the low production of β-ionone of 3.5 mg/L. To further improve the β-ionone synthesis, we implemented a modular engineering strategy for the construction and optimization of a biosynthetic pathway for the overproduction of β-ionone in Y. lipolytica. The strategy involved the enhancement of the cytosolic acetyl-CoA supply and the increase of MVA pathway flux, yielding a β-ionone titer of 358 mg/L in shake-flask fermentation and approximately 1 g/L (~ 280-fold higher than the baseline strain) in fed-batch fermentation.

結論:

菌株は、異種遺伝子とネイティブ遺伝子を統合的に過剰発現させることにより、効率的なβ-イオノン産生プラットフォームを構築した。その結果、細胞工場でのβ-イオノン産生量がこれまでに報告されている中で最も高い値を達成した。この効果的な戦略は、Y. lipolyticaにおける他のテルペノイドの生合成を強化するために適用することができます。

CONCLUSIONS: An efficient β-ionone producing GRAS Y. lipolytica platform was constructed by combining integrated overexpressed of heterologous and native genes. A modular engineering strategy involved the optimization pathway and fermentation condition was investigated in the engineered strain and the highest β-ionone titer reported to date by a cell factory was achieved. This effective strategy can be adapted to enhance the biosynthesis of other terpenoids in Y. lipolytica.