KT2440の1,4-ブタンジオール代謝を解明する

Unraveling 1,4-Butanediol Metabolism in KT2440.

• Wing-Jin Li
• Tanja Narancic
• Shane T Kenny
• Paul-Joachim Niehoff
• Kevin O'Connor
• Lars M Blank
• Nick Wierckx

抄録

プラスチックは、あらゆる形態のものがあり、現代文明の礎となっている。多用途で耐久性に優れたプラスチックは、人類に恩恵を与えていることは間違いないが、同時に環境への負荷も大きい。特に機械的なリサイクルが困難なポリマーについては、バイオアップサイクルは環境負荷を軽減するための有望な手段です。野生型のKT2440は、1,4-ブタンジオールを唯一の炭素源として成長することができるが、非常に遅い。適応的実験室進化（ALE）により、生育速度と収量が大幅に向上したいくつかの菌株が分離された。ゲノム再配列解析とプロテオミクス解析を用いて、1,4-ブタンジオールの効率的な代謝のゲノムおよび代謝基盤の特徴を明らかにした。最初に、1,4-ブタンジオールは4-ヒドロキシ酪酸に酸化されるが、その際、PP_2674-2680遺伝子クラスター内にコードされた高度に発現するデヒドロゲナーゼ酵素が重要な役割を果たしている。得られた4-ヒドロキシ酪酸は、以下の3つの経路で代謝されます。すなわち、（ｉ）コハク酸への酸化、（ｉｉｉ）ＣｏＡ活性化およびそれに続くサクシニルＣｏＡへの酸化、および（ｉｉｉｉ）グリコールＣｏＡおよびアセチルＣｏＡへのβ酸化である。進化した株は、β酸化関連遺伝子とアルコール脱水素酵素の両方をコードするオペロンの転写調節因子(PP_2046)の両方に変異があった。その結果、転写調節因子またはアルコール脱水素酵素のいずれかが欠失した場合、1,4-ブタンジオールの取り込みおよび成長が検出されなかった。リバースエンジニアリングアプローチを用いて、PP_2046を合成プロモーター（14g）で置換し、下流のオペロン（PP_2047-2051）を過剰発現させ、それによって1,4-ブタンジオール上での成長を増強した。本研究により、微生物の1,4-ブタンジオール代謝の理解が深まり、他の脂肪族α-オメガジオールへの展開も可能になりました。これにより、これらのジオールのより効率的な代謝が可能となり、バイオアップサイクル法によるプラスチックモノマーのバイオ技術的価値化が可能となります。

Plastics, in all forms, are a ubiquitous cornerstone of modern civilization. Although humanity undoubtedly benefits from the versatility and durability of plastics, they also cause a tremendous burden for the environment. Bio-upcycling is a promising approach to reduce this burden, especially for polymers that are currently not amenable to mechanical recycling. Wildtype KT2440 is able to grow on 1,4-butanediol as sole carbon source, but only very slowly. Adaptive laboratory evolution (ALE) led to the isolation of several strains with significantly enhanced growth rate and yield. Genome re-sequencing and proteomic analysis were applied to characterize the genomic and metabolic basis of efficient 1,4-butanediol metabolism. Initially, 1,4-butanediol is oxidized to 4-hydroxybutyrate, in which the highly expressed dehydrogenase enzymes encoded within the PP_2674-2680 gene cluster play an essential role. The resulting 4-hydroxybutyrate can be metabolized through three possible pathways: (i) oxidation to succinate, (ii) CoA activation and subsequent oxidation to succinyl-CoA, and (iii) beta oxidation to glycolyl-CoA and acetyl-CoA. The evolved strains were both mutated in a transcriptional regulator (PP_2046) of an operon encoding both beta-oxidation related genes and an alcohol dehydrogenase. When either the regulator or the alcohol dehydrogenase is deleted, no 1,4-butanediol uptake or growth could be detected. Using a reverse engineering approach, PP_2046 was replaced by a synthetic promotor (14g) to overexpress the downstream operon (PP_2047-2051), thereby enhancing growth on 1,4-butanediol. This work provides a deeper understanding of microbial 1,4-butanediol metabolism in , which is also expandable to other aliphatic alpha-omega diols. It enables the more efficient metabolism of these diols, thereby enabling biotechnological valorization of plastic monomers in a bio-upcycling approach.

Copyright © 2020 Li, Narancic, Kenny, Niehoff, O’Connor, Blank and Wierckx.