グルタミカム菌における産業レベルの(3R)アセトイン生合成のための中心的な経路の工学化

Engineering central pathways for industrial-level (3R)-acetoin biosynthesis in Corynebacterium glutamicum.

• Lingxue Lu
• Yufeng Mao
• Mengyun Kou
• Zhenzhen Cui
• Biao Jin
• Zhishuai Chang
• Zhiwen Wang
• Hongwu Ma
• Tao Chen

抄録

背景:

アセトイン、特に光学的に純粋な(3S)-または(3R)-エナンチオマーは、高付加価値のバイオベースの化学物質であり、重要な医薬中間体の可能性を秘めています。過去数十年にわたり、グリーンバイオテクニックを用いたアセトインの生産に力を注いできました。しかし、光学的に純粋なアセトインエナンチオマーを効率的かつ経済的に生産する方法はほとんど報告されていません。私たちはこれまで、GRAS微生物Corynebacterium glutamicumを用いて、グルコースから効率的に(3R)-アセトインを生産する方法を系統的に開発してきましたが、その収量と平均生産性には限界がありました。しかし、その収量と平均生産性は、工業的なバイオプロセスとしては満足のいくものではありませんでした。

BACKGROUND: Acetoin, especially the optically pure (3S)- or (3R)-enantiomer, is a high-value-added bio-based platform chemical and important potential pharmaceutical intermediate. Over the past decades, intense efforts have been devoted to the production of acetoin through green biotechniques. However, efficient and economical methods for the production of optically pure acetoin enantiomers are rarely reported. Previously, we systematically engineered the GRAS microorganism Corynebacterium glutamicum to efficiently produce (3R)-acetoin from glucose. Nevertheless, its yield and average productivity were still unsatisfactory for industrial bioprocesses.

結果:

本研究では、アセトイン生産者である CGR6 の細胞内炭素流束を、アナフロロティック経路の遮断、TCA サイクルの主要遺伝子の減衰、および alsSD オペロンの追加コピーをゲノムに統合することを含むいくつかの代謝工学的戦略を用いて、アセトイン合成に向けてさらにリダイレクトした。その中でも、クエン酸合成酵素の減衰とホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼの不活性化の組み合わせは、アセトイン産生に有意な相乗効果を示した。最後に、最適に設計された株 CGS11 は、5 L の発酵槽で 102.45g/L の力価、0.419g/g のグルコースの収量、1.86g/L/h の速度でアセトインを生産しました。結果として得られた(3R)-アセトインの光学純度は95%を超えた。

RESULTS: In this study, cellular carbon fluxes in the acetoin producer CGR6 were further redirected toward acetoin synthesis using several metabolic engineering strategies, including blocking anaplerotic pathways, attenuating key genes of the TCA cycle and integrating additional copies of the alsSD operon into the genome. Among them, the combination of attenuation of citrate synthase and inactivation of phosphoenolpyruvate carboxylase showed a significant synergistic effect on acetoin production. Finally, the optimal engineered strain CGS11 produced a titer of 102.45 g/L acetoin with a yield of 0.419 g/g glucose at a rate of 1.86 g/L/h in a 5 L fermenter. The optical purity of the resulting (3R)-acetoin surpassed 95%.

結論:

私たちの知る限りでは、これは、高価な添加物や基質を使用しないシンプルでグリーンなプロセスで達成された、競争力のある製品の収量と生産性とともに、高度にエナンチオマー濃縮された(3R)-アセトインの最高の力価である。このプロセスにより、近い将来、微生物発酵による簡単、効率的、経済的、環境に優しい(3R)-アセトインの生産が可能になります。

CONCLUSION: To the best of our knowledge, this is the highest titer of highly enantiomerically enriched (3R)-acetoin, together with a competitive product yield and productivity, achieved in a simple, green processes without expensive additives or substrates. This process therefore opens the possibility to achieve easy, efficient, economical and environmentally-friendly production of (3R)-acetoin via microbial fermentation in the near future.