Enhancing d ‐Pantothenic Acid Production in Corynebacterium glutamicum via Integrating Dynamic Regulation With Structure‐Guided Protein Engineering of Ketopantoate Reductase

谷氨酸棒杆菌 饱和突变 生物化学 化学 蛋白质工程 代谢工程 异源的 双功能 生产过剩 基质(水族馆) 还原酶 突变 活动站点 异源表达 合成生物学 拉伤 功能(生物学) 组合化学 催化效率 细菌 定向进化 大肠杆菌 氨基酸 催化作用 重组DNA 生物合成 合理设计 生物催化 丁酸盐 丙氨酸
作者
Qing Yang,Taoshun Zhou,Bo Zhang,Cuicui Liu,Lianggang Huang,Junping Zhou,Zhi‐Qiang Liu,Yu‐Guo Zheng
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
标识
DOI:10.1002/bit.70371
摘要

ABSTRACT d ‐Pantothenic acid (DPA) is an essential vitamin with broad applications. In this study, we engineered Corynebacterium glutamicum for high‐titer DPA production by integrating dynamic pathway regulation with structure‐guided protein engineering. Functional characterization revealed that endogenous CgPanE and BsPanE2 function as α‐hydroxy acid dehydrogenases rather than ketopantoate reductases, whereas heterologous EcPanE and BsPanE, bifunctional activity toward both ketoisovalerate and ketopantoate, possess larger active cavities. A stationary‐phase promoter ( P 4‐N14 ) was employed to delay ketopantoate reductase expression, reducing precursor consumption. Multiple screening strategies were employed to identify candidate residues for alanine scanning and saturation mutagenesis, which yielded two beneficial mutants, T119I and I183S. Notably, I183S exhibited the most prominent improvements, with a 2.25‐fold increase in specific activity and a 1.67‐fold higher k cat /K m ratio than the wild‐type. Molecular dynamics simulations indicated that the mutations enhanced catalytic efficiency by providing a more stable catalytic environment, tighter binding with the catalytic units, expanding the active cavity, and shortening the substrate tunnel length. The final engineered strain achieved a DPA titer of 36.12 g/L in a 5 L bioreactor. This study establishes a robust chassis for sustainable DPA production and provides a generalizable framework for engineering other valuable biochemicals.
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