A Ribulose-5-phosphate Shunt from the Calvin–Benson Cycle to Methylerythritol Phosphate Pathway for Enhancing Photosynthetic Terpenoid Production

萜类 光合作用 蓝藻 磷酸盐 甲戊酸途径 磷酸戊糖途径 生物化学 联合囊肿 化学 植物 生物 新陈代谢 生物合成 细菌 糖酵解 遗传学
作者
Jie Zhou,Si Chao Xu,Hu Li,Hongwei Xi,Wenbo Cheng,Chen Yang
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:13 (3): 876-887 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acssynbio.3c00675
摘要

Cyanobacteria are attractive hosts for photosynthetic terpenoid production, using CO2 as the sole carbon source. Although the methylerythritol phosphate (MEP) pathway is superior to the mevalonate pathway for cyanobacterial terpenoid synthesis, the first reaction of the MEP pathway, which is catalyzed by 1-deoxy-d-xylulose-5-phosphate (DXP) synthase, involves complex regulation and carbon loss. Here, we constructed a direct route linking ribulose-5-phosphate (Ru5P) in the Calvin-Benson (CB) cycle with DXP in the MEP pathway in a cyanobacterium to increase the terpenoid yield from CO2 and bypass the DXS-targeted regulations. By employing the adaptive laboratory evolution, we identified new RibB variants including RibB 90-92del with a high activity of synthesizing DXP from Ru5P. These RibB variants were introduced into Synechococcus elongatus, resulting in the significantly increased photosynthetic production of isopentenol. The 13C tracer experiments demonstrated a direct carbon flow from Ru5P in the CB cycle to the MEP pathway; thus, this direct route was denoted as the Ru5P shunt. The strain harboring the Ru5P shunt produced 105.2 mg L-1 of isopentenol with an average rate of 17.5 mg L-1 d-1 under continuous light conditions, which is higher than those ever reported for five-carbon alcohol production by photoautotrophic microorganisms. Utilization of the Ru5P shunt in cyanobacterial cells also improved the pinene production, which demonstrates that this shunt can be used to enhance the photosynthetic production of diverse terpenoids.
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