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Coupling metabolic addiction with negative autoregulation to improve strain stability and pathway yield

柚皮素 代谢工程 代谢途径 生物化学 代谢网络 酵母 细胞生物学 生物 新陈代谢 基因 类黄酮 抗氧化剂
作者
Yongkun Lv,Yang Gu,Jingliang Xu,Jingwen Zhou,Peng Xu
出处
期刊:Metabolic Engineering [Elsevier BV]
卷期号:61: 79-88 被引量:104
标识
DOI:10.1016/j.ymben.2020.05.005
摘要

Metabolic addiction, an organism that is metabolically addicted with a compound to maintain its growth fitness, is an underexplored area in metabolic engineering. Microbes with heavily engineered pathways or genetic circuits tend to experience metabolic burden leading to degenerated or abortive production phenotype during long-term cultivation or scale-up. A promising solution to combat metabolic instability is to tie up the end-product with an intermediary metabolite that is essential to the growth of the producing host. Here we present a simple strategy to improve both metabolic stability and pathway yield by coupling chemical addiction with negative autoregulatory genetic circuits. Naringenin and lipids compete for the same precursor malonyl-CoA with inversed pathway yield in oleaginous yeast. Negative autoregulation of the lipogenic pathways, enabled by CRISPRi and fatty acid-inducible promoters, repartitions malonyl-CoA to favor flavonoid synthesis and increased naringenin production by 74.8%. With flavonoid-sensing transcriptional activator FdeR and yeast hybrid promoters to control leucine synthesis and cell grwoth fitness, this amino acid feedforward metabolic circuit confers a flavonoid addiction phenotype that selectively enrich the naringenin-producing pupulation in the leucine auxotrophic yeast. The engineered yeast persisted 90.9% of naringenin titer up to 324 generations. Cells without flavonoid addiction regained growth fitness but lost 94.5% of the naringenin titer after cell passage beyond 300 generations. Metabolic addiction and negative autoregulation may be generalized as basic tools to eliminate metabolic heterogeneity, improve strain stability and pathway yield in long-term and large-scale bioproduction.
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