Efficient Microbial Synthesis of Key C21 Steroid 16-Dehydroprogesterone from Diosgenin by Engineered Mycolicibacterium sp. HK-90

薯蓣皂甙元 类固醇 化学 生物化学 代谢工程 合成生物学 生物转化 生物合成 单加氧酶 分解代谢 羟基化 基因敲除 生物转化
作者
Zhikuan Wang,Yulong Chen,Hailiang Qiu,Feifan Zhao,Chunhua Fu,Longjiang Yu
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (50): 21590-21600
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c08915
摘要

C21 steroids represent essential precursors for the industrial synthesis of corticosteroids, yet their conventional manufacturing processes are hampered by suboptimal efficiency and substantial environmental burdens. In this study, we established a biocatalytic route to synthesize the pivotal C21 steroid precursor 16-dehydroprogesterone (16-DPG) from diosgenin, employing an engineered strain, Mycolicibacterium sp. HK-90. Key metabolic engineering strategies included (i) targeted knockout of kstD and kshA genes to disrupt the steroid core degradation pathway, generating the chassis strain mHust-ΔkstD-ΔkshA. This modification prevented diosgenin degradation while enabling its conversion to C19 steroid 4-androstenedione (4-AD) via C21 steroid intermediates. (ii) Identification and characterization of a Baeyer–Villiger monooxygenase (BV-2539) as the key enzyme mediating C21-to-C19 steroid conversion during diosgenin catabolism. Subsequent inactivation of BV-2539 in mHust-ΔkstD-ΔkshA completely abolished 4-AD, thereby redirecting diosgenin catabolism toward the accumulation of 16-DPG. (iii) Discovery and knockout of a transcriptional repressor (IclR-2535) significantly constrained the production yield. The resulting engineered strain, mHust-C21, efficiently synthesized 33.80 g/L 16-DPG (89.7% molar yield) from 50 g/L diosgenin under optimized cultivation conditions. The synthesis pathway achieves a yield far exceeding those of conventional processes while eliminating toxic Cr(VI) oxidants and streamlining production steps. This work offers a novel strategy for the sustainable manufacturing of 16-DPG.
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