ヴァインベルク経路最適化のための実験とモデリングを組み合わせたアプローチ

A combined experimental and modelling approach for the Weimberg pathway optimisation.

• Lu Shen
• Martha Kohlhaas
• Junichi Enoki
• Roland Meier
• Bernhard Schönenberger
• Roland Wohlgemuth
• Robert Kourist
• Felix Niemeyer
• David van Niekerk
• Christopher Bräsen
• Jochen Niemeyer
• Jacky Snoep
• Bettina Siebers

抄録

ペントースからα-ケトグルタル酸への5段階の分解を行う酸化的ヴァインバーグ経路は、リグノセルロース系バイオマスを付加価値製品やバイオ燃料に持続的にバイオコンバージョンするための重要な経路であり、これまでの研究では、ペントースからα-ケトグルタル酸への5段階の分解を行う酸化的ヴァインバーグ経路を用いています。Caulobacter crescentusからの酸化経路は、無傷の細胞を用いたインビボ代謝工学やインビトロ酵素カスケードで利用されてきた。このような工学的アプローチの性能は、非線形な速度論やアロステリックな制御機構に起因するシステムの複雑さによって妨げられていることが多い。ここでは、Weimberg経路の定量的モデルを構築し、検証するための反復的アプローチを報告する。その結果、以下のような2つの敏感なポイントが同定された。(1)デヒドロゲナーゼ（特に効率的なNADリサイクル機構が存在しない場合）の生成物の阻害と(2)デヒドラターゼの活性のバランスをとる。その結果得られたモデルは、最適化された変換のための酵素カスケードを設計し、C. cresensus無細胞抽出物における経路性能を分析するために利用されている。

The oxidative Weimberg pathway for the five-step pentose degradation to α-ketoglutarate is a key route for sustainable bioconversion of lignocellulosic biomass to added-value products and biofuels. The oxidative pathway from Caulobacter crescentus has been employed in in-vivo metabolic engineering with intact cells and in in-vitro enzyme cascades. The performance of such engineering approaches is often hampered by systems complexity, caused by non-linear kinetics and allosteric regulatory mechanisms. Here we report an iterative approach to construct and validate a quantitative model for the Weimberg pathway. Two sensitive points in pathway performance have been identified as follows: (1) product inhibition of the dehydrogenases (particularly in the absence of an efficient NAD recycling mechanism) and (2) balancing the activities of the dehydratases. The resulting model is utilized to design enzyme cascades for optimized conversion and to analyse pathway performance in C. cresensus cell-free extracts.