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Enzymatic Synthesis of 3-Hydroxypyruvate and Pyruvate from CO 2 -Derived C1 Compounds

丙酮酸脱羧酶 化学 辅因子 甲基乙二醛 二羟丙酮 转酮酶 丙酮 丙酮酸脱羧 生物化学 生物催化 生物正交化学 丙酮酸 酶催化 氧化酶试验 丙酮酸脱氢酶复合物 生物合成 甲酸脱氢酶 代谢途径 甲醇 二氢脂酰转乙酰酶 磷酸二羟丙酮 转醛醇酶 NAD+激酶 组合化学 丙酮酸脱氢酶激酶 催化作用 代谢工程 醇脱氢酶 立体化学
作者
Hongxu Zhang,Mei Liu,Wenjia Tian,Ke Liu,Mengyao Hao,Hairong Yu,Weikang Sun,Leilei Guo,Xiaoxu Tan,Kaiyu Gao,Tianyi Jiang,Chuanjuan Lü,Qianjin Kang,Cuiqing Ma,Longyang Dian,Ping Xu,Chao Gao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (7): 6525-6542
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c08729
摘要

Enzymatic transformation is an attractive strategy for converting C1 compounds derived from CO2 into high-value products. However, its large-scale application is hampered by the necessity of costly cofactors such as ATP, NADH, and tetrahydrofolate. Here, we designed two costly cofactor-free enzymatic pathways that require only 5 enzymes and chemically synthesized cheap cofactor TPP for the production of platform compounds 3-hydroxypyruvate (3-HP) and pyruvate from formaldehyde. We screened and characterized two key enzymes, dihydroxyacetone oxidase catalyzing dihydroxyacetone oxidation and glyoxalase III catalyzing 3-hydroxypyruvaldehyde isomerization, in the designed pathways. We also engineered glyoxalase III SAV0551 toward stereoselectively isomerizing 3-hydroxypyruvaldehyde into l-glycerate to improve the production of 3-HP from formaldehyde. Then, we combined methanol oxidation with alcohol oxidase and the two designed pathways for enzymatic synthesis of 3-HP and pyruvate from CO2-derived methanol. The final concentrations of 3-HP and pyruvate reached 50.2 and 49.6 mM, with synthesis rates of 7.2 mmol C L–1 h–1 and 5.5 mmol C L–1 h–1, respectively. In addition, by coupling transketolase and pyruvate decarboxylase into the enzymatic system, we also achieved the biosynthesis of d-sedoheptulose-7-phosphate and acetoin from CO2-derived 3-HP and pyruvate with concentrations of 46.9 and 23.6 mM, respectively.
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