Periplasmic Engineering Enhances Terminal Hydroxylation for Efficient Caffeic Acid Biosynthesis in Escherichia coli

周质间隙 羟基化 生物化学 苯丙素 化学 代谢工程 大肠杆菌 发酵 咖啡酸 生物合成 代谢途径 酶 代谢物 细菌 合成生物学
作者
Shangyi Wang,Yuqi Zhuo,Jamila A. Tuly,Hossain M. Zabed,Yufei Zhang,Guoyan Zhang,Yuehui Tian,Jia Li,Junhua Yun,Xianghui Qi
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:74 (31): 24542-24552
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.6c05246
摘要

Caffeic acid (CA) is a valuable phenylpropanoid with applications in food, pharmaceutical, and chemical industries. Microbial production of CA is often limited by the terminal hydroxylation catalyzed by 4-hydroxyphenylacetate 3-monooxygenase (HpaBC). Here, we constructed a de novo CA biosynthetic pathway in Escherichia coli and enhanced production through systematic metabolic and spatial engineering. Optimization of l-tyrosine supply and HpaBC expression increased CA production to 61.0 mg/L. However, further enhancement of glucose uptake and precursor supply was insufficient, indicating that hydroxylation remained a major limitation. To address this, HpaBC was relocated to the periplasm via the Tat pathway, increasing CA production 4.9-fold to 299.1 mg/L with reduced byproduct formation. Further lpp+14 mediated periplasmic remodeling and fermentation optimization increased shake-flask production to 463.7 mg/L. Finally, fed-batch fermentation achieved 5.1 g/L CA in a 3 L bioreactor. This study highlights periplasmic engineering as an effective strategy for improving oxidation-dependent phenylpropanoid biosynthesis.
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