Metabolic engineering of Escherichia coli for direct production of 1,4-butanediol

代谢工程 2,3-丁二醇 大肠杆菌 商品化学品 木糖 化学 柠檬酸循环 生物化学 代谢途径 生物 新陈代谢 发酵 基因 催化作用
作者
Harry Yim,Robert J. Haselbeck,Wei Niu,Catherine Pujol-Baxley,Anthony P. Burgard,Jeff Boldt,Julia Khandurina,John D. Trawick,Robin Osterhout,Rosary Stephen,Jazell Estadilla,Sy Teisan,H. Brett Schreyer,Stefan Andrae,Tae Hoon Yang,Sang Yup Lee,Mark J. Burk,Stephen Van Dien
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Nature Portfolio]
卷期号:7 (7): 445-452 被引量:1131
标识
DOI:10.1038/nchembio.580
摘要

1,4-Butanediol (BDO) is an important commodity chemical used to manufacture over 2.5 million tons annually of valuable polymers, and it is currently produced exclusively through feedstocks derived from oil and natural gas. Herein we report what are to our knowledge the first direct biocatalytic routes to BDO from renewable carbohydrate feedstocks, leading to a strain of Escherichia coli capable of producing 18 g l(-1) of this highly reduced, non-natural chemical. A pathway-identification algorithm elucidated multiple pathways for the biosynthesis of BDO from common metabolic intermediates. Guided by a genome-scale metabolic model, we engineered the E. coli host to enhance anaerobic operation of the oxidative tricarboxylic acid cycle, thereby generating reducing power to drive the BDO pathway. The organism produced BDO from glucose, xylose, sucrose and biomass-derived mixed sugar streams. This work demonstrates a systems-based metabolic engineering approach to strain design and development that can enable new bioprocesses for commodity chemicals that are not naturally produced by living cells.
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