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Benzylisoquinoline alkaloid production in yeast via norlaudanosoline improves selectivity and yield

苄基异喹啉 血桂碱 罂粟碱 化学 提巴因 生物碱 生物化学 生物 立体化学 药理学 可待因 酶 生物合成 吗啡 内分泌学
作者
Lauren Narcross,Michael E. Pyne,Kaspar Kevvai,Ka‐Hei Siu,John E. Dueber,Vincent J. J. Martin
出处
期刊: [Cold Spring Harbor Laboratory]
被引量:4
标识
DOI:10.1101/2023.05.19.541502
摘要

Abstract The benzylisoquinoline alkaloid (BIA) family of tetrahydroisoquinolines (THIQs) comprises over 2,500 members, including the pharmaceuticals morphine, codeine, and papaverine as well as the antibiotics sanguinarine and chelerythrine used in animal husbandry. Agricultural cultivation can currently supply the demand for the BIAs that accumulate in plants, but broader access to the entire BIA family would open new avenues of research and commercialization. Microbial synthesis presents an attractive option due to cheap feedstock, genetic tractability, and ease of scale-up. Previously we reported titers of the key branch-point BIA ( S )-reticuline of 4.6 g/L in yeast, which was achieved through leveraging the Ehrlich pathway 2-oxoacid decarboxylase Aro10 to generate the intermediate 4-hydroxyphenylacetaldehyde (4-HPAA). Here, we establish a superior route to ( S )-reticuline by switching the pathway intermediate from 4-HPAA to 3,4-dihydroxyphenylacetaldehyde (3,4-dHPAA) using human monoamine oxidase A (MAO). The resulting ( S )-norlaudanosoline route to ( S )-reticuline synthesis is more selective, resolving prior issues with off-pathway THIQs synthesized due to concerted enzyme promiscuity. The new pathway is also more efficient, enabling titers of 4.8 g/L ( S )-reticuline while improving yields over 40%, from 17 mg/g sucrose to 24 mg/g sucrose in fed-batch fermentations. Finally, we extend de novo ( S )-reticuline synthesis to dihydrosanguinarine, achieving 635 mg/L dihydrosanguinarine and sanguinarine in fed-batch fermentation the highest reported titer of these BIAs by a factor of 40. Highlights Monoamine oxidase A (MAO) supports high-titer ( S )-reticuline synthesis in yeast MAO route to ( S )-reticuline improves specificity compared to Aro10 route This work represents a 40% increase in highest reported ( S )-reticuline yield 653 mg/L (dihydro-) sanguinarine was produced by extending the pathway

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