Systematic Engineering of Escherichia coli to Enhance 1,6‐Hexamethylenediamine Biosynthesis and Mitigate Byproduct 1,5‐Pentanediamine

生物制造 化学 生化工程 代谢工程 产量(工程) 发酵 生物合成 生物化学 吡哆醛 基质(水族馆) 脱水酶 合成生物学 生物技术 突变 碳源 生产力 组合化学 食品科学
作者
Z.W. Chen,Haoran Sun,Zichen Lin,Naiqiang Li
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
标识
DOI:10.1002/bit.70233
摘要

1,6-Hexamethylenediamine (HMD), a key nylon 6,6 intermediate, is traditionally derived from fossil feedstocks, demanding sustainable alternatives. Despite the great potential of the L-lysine-based carbon chain elongation system for biosynthetic HMD, its practical application is hampered by low catalytic efficiency. In this study, systematic engineering strategies were developed to overcome these limitations: site-saturation mutagenesis of 3-isopropylmalate dehydratase (LeuCD) yielded a dual-site mutant with a 2.13-fold higher HMD biosynthesis. Synergistic integration of NAD⁺ synthase overexpression, pyridoxal 5'-phosphate supplementation, optimized ammonia donors, and fed-batch fermentation markedly boosted HMD biosynthesis. Specifically, continuous feeding of glucose and L-lysine resulted in an HMD titer of 1835.35 ± 14.64 mg/L, with a productivity of 25.48 mg/L/h, representing over a 7.15-fold increase versus shake flask fermentation. Finally, a novel dual-cell module further enhanced the HMD titer, increased the molar yield of L-lysine to HMD to 24.78%, and reduced the byproduct 1,5-pentanediamine (PDA) to 22.22% of the original level. This work establishes a feasible, efficient, and sustainable HMD biomanufacturing process, addressing the critical issue of substrate competition in multi-step biosynthetic pathways.
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