Engineering new-to-nature biochemical conversions by combining fermentative metabolism with respiratory modules

发酵 通量平衡分析 代谢工程 甘油 微生物代谢 生物化学 化学 生物 细菌 遗传学
作者
Helena Schulz-Mirbach,Jan Lukas Krüsemann,Theofania Andreadaki,Jana Nerlich,Eleni Mavrothalassiti,Simon Boecker,Philipp Schneider,Moritz Weresow,Omar Abdelwahab,Nicole Paczia,Beau Dronsella,Tobias J. Erb,Arren Bar‐Even,Steffen Klamt,Steffen N. Lindner
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-51029-x
摘要

Anaerobic microbial fermentations provide high product yields and are a cornerstone of industrial bio-based processes. However, the need for redox balancing limits the array of fermentable substrate-product combinations. To overcome this limitation, here we design an aerobic fermentative metabolism that allows the introduction of selected respiratory modules. These can use oxygen to re-balance otherwise unbalanced fermentations, hence achieving controlled respiro-fermentative growth. Following this design, we engineer and characterize an obligate fermentative Escherichia coli strain that aerobically ferments glucose to stoichiometric amounts of lactate. We then re-integrate the quinone-dependent glycerol 3-phosphate dehydrogenase and demonstrate glycerol fermentation to lactate while selectively transferring the surplus of electrons to the respiratory chain. To showcase the potential of this fermentation mode, we direct fermentative flux from glycerol towards isobutanol production. In summary, our design permits using oxygen to selectively re-balance fermentations. This concept is an advance freeing highly efficient microbial fermentation from the limitations imposed by traditional redox balancing.
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