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大腸菌における3-ヒドロキシバレレートの高レベルバイオベース生産のための統合的な菌株工学とバイオプロセシング戦略
Integrated strain engineering and bioprocessing strategies for high-level bio-based production of 3-hydroxyvalerate in Escherichia coli.
PMID: 32291486 DOI: 10.1007/s00253-020-10580-5.
抄録
石油をベースとした生産は多くの環境負荷とそれに伴う技術的な懸念をもたらすため、バイオベースの生産は、より再生可能で、環境に優しく、持続可能な方法で化学製品を製造するための近代的な代替手段として、最近よく認識されています。ここでは、バイオディーゼル生産からの副産物として安価で再生可能な精製が可能なグリセロールから、化学、バイオポリマー、製薬業界で複数のアプリケーションを持つ貴重な特殊化学物質である3-ヒドロキシバレレート（3-HV）を高レベルかつ経済的に生産するための微生物バイオプロセスの開発について報告する。本研究では、当社が最近開発した3-HV生産性大腸菌株を用いて、様々な培養条件でのバイオリアクターの特性評価を行った。親株では、3-HVの生合成はプロピオンイル-CoAの細胞内利用可能性によって制限されていたが、嫌気性条件下ではプロピオンイル-CoAの生成が促進され、細胞の成長が阻害されることがあった。適切な菌株工学を用いて、我々は、トリカルボン酸（TCA）サイクルにおけるコハク酸ノードへの溶解炭素フラックスの方向を決定する微好気性（嫌気性に近い）と好気性の両方の条件で効果的に3-HVを生産することができることを実証した。我々は最初に∆sdhA単一変異株を使用したが、これは、溶解された炭素フラックスが主にスリーピングビューティミュターゼ（Sbm）経路（還元的TCAブランチを介して、微好気性条件下で強化された細胞増殖を有する、フィードバッチ培養で3.08gL 3-HVを達成した）に向けられたものであった。さらに、好気性条件下での培養には、ディシミルトされた炭素流束を TCA サイクルからグリオキシル酸分岐を介して Sbm 経路に誘導した∆sdhA-∆iclR 二重変異株を使用した。効果的な細胞増殖に加えて、この菌株は、好気的な給餌バッチ培養において、印象的な 3-HV 生合成（最大 10.6gL）を示し、消費されたグリセロールに基づく全体の収量の 18.8%に相当する。本研究は、構造的に無関係な炭素からの3-HVのバイオベース生産において、これまでで最も効果的なものの一つであるだけでなく、バイオベース生産を強化するためには、系統工学と生物処理戦略を統合することが重要であることを明らかにした。大腸菌における3-HVの生合成には、TCAサイクル工学を適用した。
As petro-based production generates numerous environmental impacts and their associated technological concerns, bio-based production has been well recognized these days as a modern alternative to manufacture chemical products in a more renewable, environmentally friendly, and sustainable manner. Herein, we report the development of a microbial bioprocess for high-level and potentially economical production of 3-hydroxyvalerate (3-HV), a valuable special chemical with multiple applications in chemical, biopolymer, and pharmaceutical industries, from glycerol, which can be cheaply and renewably refined as a byproduct from biodiesel production. We used our recently derived 3-HV-producing Escherichia coli strains for bioreactor characterization under various culture conditions. In the parental strain, 3-HV biosynthesis was limited by the intracellular availability of propionyl-CoA, whose formation was favored by anaerobic conditions, which often compromised cell growth. With appropriate strain engineering, we demonstrated that 3-HV can be effectively produced under both microaerobic (close to anaerobic) and aerobic conditions, which determine the direction of dissimilated carbon flux toward the succinate node in the tricarboxylic acid (TCA) cycle. We first used the ∆sdhA single mutant strain, in which the dissimilated carbon flux was primarily directed to the Sleeping beauty mutase (Sbm) pathway (via the reductive TCA branch, with enhanced cell growth under microaerobic conditions, achieving 3.08 g L 3-HV in a fed-batch culture. In addition, we used the ∆sdhA-∆iclR double mutant strain, in which the dissimilated carbon flux was directed from the TCA cycle to the Sbm pathway via the deregulated glyoxylate shunt, for cultivation under rather aerobic conditions. In addition to demonstrating effective cell growth, this strain has shown impressive 3-HV biosynthesis (up to 10.6 g L), equivalent to an overall yield of 18.8% based on consumed glycerol, in aerobic fed-batch culture. This study not only represents one of the most effective bio-based production of 3-HV from structurally unrelated carbons to date, but also highlights the importance of integrated strain engineering and bioprocessing strategies to enhance bio-based production.Key points• TCA cycle engineering was applied to enhance 3-HV biosynthesis in E. coli. • Effects of oxygenic conditions on 3-HV in E. coli biosynthesis were investigated. • Bioreactor characterization of 3-HV biosynthesis in E. coli was performed.