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Combining Protein and Metabolic Engineering Strategies for High-Level Production ofO-Acetylhomoserine inEscherichia coli

代谢工程 生物化学 化学 大肠杆菌 生物合成 产量(工程) 蛋白质工程 基因 突变体 冶金 材料科学
作者
Liang Wei,Qian Wang,Ning Xu,Jian Cheng,Wei Zhou,Guoqiang Han,Huifeng Jiang,Jun Liu,Yanhe Ma
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:8 (5): 1153-1167 被引量:44
标识
DOI:10.1021/acssynbio.9b00042
摘要

O-acetylhomoserine (OAH) is a promising platform chemical for the production of l-methionine and other valuable compounds. However, the relative low titer and yield of OAH greatly limit its industrial production and cost-effective application. In this study, we successfully constructed an efficient OAH-producing strain with high titer and yield by combining protein and metabolic engineering strategies in E. coli. Initially, an OAH-producing strain was created by reconstruction of biosynthetic pathway and deletion of degradation and competitive pathways, which accumulated 1.68 g/L of OAH. Subsequently, several metabolic engineering strategies were implemented to improve the production of OAH. The pathway flux of OAH was enhanced by eliminating byproduct accumulation, increasing oxaloacetate supply and promoting the biosynthesis of precursor homoserine, resulting in a 1.79-fold increase in OAH production. Moreover, protein engineering was applied to improve the properties of the rate-limiting enzyme homoserine acetyltransferase (MetXlm) based on evolutionary conservation analysis and structure-guided engineering. The resulting triple F147L-M182I-M240A mutant of MetXlm exhibited a 12.15-fold increase in specific activity, and the optimized expression of the MetXlm mutant led to a 57.14% improvement in OAH production. Furthermore, the precursor acetyl-CoA supply and NADPH generation were also enhanced to facilitate the biosynthesis of OAH by promoting CoA biosynthesis, overexpressing heterogeneous acetyl-CoA synthetase (ACS), and introducing NADP-dependent pyruvate dehydrogenase (PDH). Finally, the engineered strain OAH-7 produced 62.7 g/L of OAH with yield and productivity values of 0.45 g/g glucose and 1.08 g/L/h, respectively, in a 7.5 L fed-batch fermenter, which was the highest OAH production ever reported.
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