芳香族由来の5つの天然物・化学品を合成するためのシャーシとしてのエンジニアリング

Engineering as a chassis for synthesis of five aromatic-derived natural products and chemicals.

• Yang Gu
• Jingbo Ma
• Yonglian Zhu
• Xinyu Ding
• Peng Xu

抄録

は、再生可能な低コスト炭素原料を高付加価値の汎用化学品や天然物にアップグレードするための新しい微生物シャーシである。本研究では、シキメート経路の速度制限ステップを系統的に解析・除去し、5種類の芳香族化学品の合成に成功しました。その結果、アミノ酸の生成を排除し、フィードバックに敏感なDAHP合成酵素を工学的に制御することが、前駆体の競争を緩和し、式門経路のフィードバック制御を緩和するために重要なステップであることを明らかにしました。異種ホスホケトラーゼをさらに過剰発現させ、ピルビン酸キナーゼを欠失させることにより、E4P（エリスロース4-リン酸）およびPEP（ホスホエノールピルビン酸）前駆体をシキメート経路を介してチャネルする持続的な代謝駆動力が提供された。前駆体競合経路および副産物形成経路も、染色体遺伝子を不活性化することでブロックされた。我々の設計されたシャーシ株の有用性を実証するために、シャーシ性能を試験するために、それぞれフェニルアラニン、チロシンおよびトリプトファンに由来する3つの天然物、2-フェニルエタノール(2-PE)、p-クマリン酸およびビオラシンを選択した。シェークフラスコ中のグルコースから、2-PE 2426.22±48.33 mg/L、p-クウマル酸 593.53±28.75 mg/L、レスベラトロール 12.67±2.23 mg/L、ビオラセイン 366.30±28.99 mg/L、デオキシビオラセイン 55.12±2.81 mg/Lを得た。2-PEの産生は、初期株（8.48±0.50 mg/L）と比較して286倍の増加を示した。具体的には、酵母のシキメート経路から報告されている史上最高の2-PE、ビオラセインおよびデオキシビオラセインの力価が得られた。これらの結果は、経済的価値のある芳香族化合物を合成するための持続可能なバイオリファイナリーシャーシ系統としてのエンジニアリングの新たなステージを切り開いた。

is a novel microbial chassis to upgrade renewable low-cost carbon feedstocks to high-value commodity chemicals and natural products. In this work, we systematically characterized and removed the rate-limiting steps of the shikimate pathway and achieved synthesis of five aromatic chemicals in . We determined that eliminating amino acids formation and engineering feedback-insensitive DAHP synthases are critical steps to mitigate precursor competition and relieve the feedback regulation of shikimate pathway. Further overexpression of heterologous phosphoketolase and deletion of pyruvate kinase provided a sustained metabolic driving force that channels E4P (erythrose 4-phosphate) and PEP (phosphoenolpyruvate) precursors through the shikimate pathway. Precursor competing pathways and byproduct formation pathways were also blocked by inactivating chromosomal genes. To demonstrate the utility of our engineered chassis strain, three natural products, 2-phenylethanol (2-PE), p-coumaric acid and violacein, which were derived from phenylalanine, tyrosine and tryptophan, respectively, were chosen to test the chassis performance. We obtained 2426.22 ± 48.33 mg/L of 2-PE, 593.53 ± 28.75 mg/L of p-coumaric acid, 12.67 ± 2.23 mg/L of resveratrol, 366.30 ± 28.99 mg/L of violacein and 55.12 ± 2.81 mg/L of deoxyviolacein from glucose in shake flask. The 2-PE production represents a 286-fold increase over the initial strain (8.48 ± 0.50 mg/L). Specifically, we obtained the highest 2-PE, violacein and deoxyviolacein titer ever reported from the shikimate pathway in yeast. These results set up a new stage of engineering as a sustainable biorefinery chassis strain for synthesis of aromatic compounds with economic values.