Highly Efficient Whole-Cell Biocatalysis for the Biosynthesis of 7-Methylxanthine and Other Xanthine Derivatives

生物催化 咖啡因 生物合成 黄嘌呤 化学 代谢工程 发酵 生物化学 生化工程 合成生物学 生物技术 组合化学 计算生物学 生物 催化作用 反应机理 工程类 内分泌学
作者
Chang Yu Liu,Yinuo Wu,Huizhe Zhao,Xiangyu Gu,Jinyang Gu,Mengmeng Zhao,Shangci Zuo,Pengchao Wang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:12 (26): 9716-9726 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.4c01165
摘要

7-Methylxanthine (7-MX), a caffeine (1,3,7-trimethylxanthine) derivative, has gained significant attention as a potential drug for myopia treatment. However, the efficient production of this valuable compound poses challenges: Isolation and chemical synthesis of 7-MX are both difficult to realize due to their poor yields and high costs. Therefore, developing efficient biosynthetic pathways has emerged as a promising alternative strategy. This study aimed to establish an efficient, low-cost, and pollutant-free biosynthetic process for producing 7-MX from caffeine, in which the biosynthetic process is achieved by utilization of ndmA, ndmB, and modified ndmD genes. Moreover, the rich caffeine in coffee waste can be used as an ideal substrate for this reaction, which can reduce the production cost and treat the caffeine in coffee waste residue to promote secondary utilization. By optimizing the gene expression, constructing cofactor regeneration system composed of frmA, frmB, and FDH to regenerate NADH to remove the bottleneck, and engineering Escherichia coli for high-density fermentation, we increased the production of 7-MX to an unprecedented 8.37 g/L. This approach represents the most efficient method thus far for producing 7-MX from caffeine and provides insights into synthesizing other valuable methylxanthines.
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