High-Level Difucosyllactose Biosynthesis via Metabolic and Transporter Engineering

代谢工程 生物化学 生物合成 化学 焊剂(冶金) 代谢途径 生物反应器 流出 乳糖 运输机 基因 益生元 低聚糖 合成生物学 碳通量 代谢控制分析 生物转化 计算生物学 蛋白质工程
作者
Lizhi Zhu,Caiwen Lao,Lixia Yuan,Jianming Yao,Jianmin Wu,Xiangsong Chen
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:74 (16): 13043-13055 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c17691
摘要

Difucosyllactose (DFL) is a complex human milk oligosaccharide with significant prebiotic potential. In this study, we engineered Escherichia coli for high-titer biosynthesis of DFL via the 2′-fucosyllactose (2′-FL) intermediate pathway. By screening glycosyltransferases, we identified WbgL (α-1,2-fucosyltransferase) and FutM1 (α-1,3-fucosyltransferase) as the optimal enzyme pair and maximized their catalytic efficiency by optimizing gene copy numbers. To enhance precursor availability, we disrupted competitive pathways (wcaI, wcaH, and nudK) and redirected carbon flux by deleting pykA. Furthermore, transporter engineering enhanced synthesis efficiency through the deletion of emrE to prevent intermediate efflux and the overexpression of ompF to facilitate DFL secretion. Finally, implementing a continuous low-concentration lactose feeding strategy in a 5-L bioreactor achieved a record-breaking DFL titer of 110.3 g/L, the highest production level reported to date. This study demonstrates that integrating systematic metabolic engineering with refined process control provides a robust platform for the industrial production of complex oligosaccharides.
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