Highly Efficient Production of Menaquinone-7 from Glucose by Metabolically Engineered Escherichia coli

代谢工程 大肠杆菌 发酵 生物化学 基因工程 化学 生物合成 生物反应器 原材料 合成生物学 生物 细菌 代谢途径 拉伤 基因 计算生物学 有机化学 解剖 遗传学
作者
Quanxiu Gao,Hao Chen,Gaoyan Wang,Wei Yang,Xiaotong Zhong,Jiezheng Liu,XiaoJing Huo,Weifeng Liu,Jianzhong Huang,Yong Tao,Baixue Lin
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:10 (4): 756-765 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acssynbio.0c00568
摘要

Menaquinone-7 (MK-7) possesses wide health and medical value, and the market demand for MK-7 has increased. Metabolic engineering for MK-7 production in Escherichia coli still remains challenging due to the characteristics of the competing quinone synthesis, and cells mainly synthesized menaquinones under anaerobic conditions. To increase the production of MK-7 in engineered E. coli strains under aerobic conditions, we divided the whole MK-7 biosynthetic pathway into three modules (MVA pathway, DHNA pathway, and MK-7 pathway) and systematically optimized each of them. First, by screening and enhancing Idi expression, the amounts of MK-7/DMK-7 increased significantly. Then, in the MK-7 pathway, by combinatorial overexpression of endogenous MenA and exogenous UbiE, and fine-tuning the expression of HepPPS, MenA, and UbiE, 70 μM MK-7 was achieved. Third, the DHNA synthetic pathway was enhanced, and 157 μM MK-7 was achieved. By the combinational metabolic engineering strategies and membrane engineering, an efficient metabolic engineered E. coli strain for MK-7 synthesis was developed, and 200 μM (129 mg/L) MK-7 was obtained in shake flask experiment, representing a 306-fold increase compared to the starting strain. In the scale-up fermentation, 2074 μM (1350 mg/L) MK-7 was achieved after 52 h fermentation with a productivity of 26 mg/L/h. This is the highest titer of MK-7 ever reported. This study offers an alternative method for MK-7 production from biorenewable feedstock (glucose) by engineered E. coli. The high titer of our process should make it a promising cost-effective resource for MK-7.
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