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Single cell mutant selection for metabolic engineering of actinomycetes

代谢工程 定向进化 突变体 单元格排序 代谢途径 生物 高通量筛选 人口 突变 计算生物学 合成生物学 生物化学 蛋白质工程 细胞 基因 人口学 社会学
作者
Amir Akhgari,Bikash Baral,Arina Koroleva,Vilja Siitonen,David P. Fewer,Charles E. Melançon,Jani Rahkila,Mikko Metsä‐Ketelä
出处
期刊:Metabolic Engineering [Elsevier BV]
卷期号:73: 124-133 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.ymben.2022.07.002
摘要

Actinomycetes are important producers of pharmaceuticals and industrial enzymes. However, wild type strains require laborious development prior to industrial usage. Here we present a generally applicable reporter-guided metabolic engineering tool based on random mutagenesis, selective pressure, and single-cell sorting. We developed fluorescence-activated cell sorting (FACS) methodology capable of reproducibly identifying high-performing individual cells from a mutant population directly from liquid cultures. Actinomycetes are an important source of catabolic enzymes, where product yields determine industrial viability. We demonstrate 5-fold yield improvement with an industrial cholesterol oxidase ChoD producer Streptomyces lavendulae to 20.4 U g−1 in three rounds. Strain development is traditionally followed by production medium optimization, which is a time-consuming multi-parameter problem that may require hard to source ingredients. Ultra-high throughput screening allowed us to circumvent medium optimization and we identified high ChoD yield production strains directly from mutant libraries grown under preset culture conditions. Genome-mining based drug discovery is a promising source of bioactive compounds, which is complicated by the observation that target metabolic pathways may be silent under laboratory conditions. We demonstrate our technology for drug discovery by activating a silent mutaxanthene metabolic pathway in Amycolatopsis. We apply the method for industrial strain development and increase mutaxanthene yields 9-fold to 99 mg l−1 in a second round of mutant selection. In summary, the ability to screen tens of millions of mutants in a single cell format offers broad applicability for metabolic engineering of actinomycetes for activation of silent metabolic pathways and to increase yields of proteins and natural products.
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