Lignin valorization to bioplastics with an aromatic hub metabolite-based autoregulation system

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作者
Yiquan Zhao,Le Xue,Zhiyi Huang,Zixian Lei,Shiyu Xie,Zhenzhen Cai,Xinran Rao,Ze Zheng,Ning Xiao,Xiaoyu Zhang,Fuying Ma,Hongbo Yu,Shangxian Xie
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-53609-3
摘要

Exploring microorganisms with downstream synthetic advantages in lignin valorization is an effective strategy to increase target product diversity and yield. This study ingeniously engineers the non-lignin-degrading bacterium Ralstonia eutropha H16 (also known as Cupriavidus necator H16) to convert lignin, a typically underutilized by-product of biorefinery, into valuable bioplastic polyhydroxybutyrate (PHB). The aromatic metabolism capacities of R. eutropha H16 for different lignin-derived aromatics (LDAs) are systematically characterized and complemented by integrating robust functional modules including O-demethylation, aromatic aldehyde metabolism and the mitigation of by-product inhibition. A pivotal discovery is the regulatory element PcaQ, which is highly responsive to the aromatic hub metabolite protocatechuic acid during lignin degradation. Based on the computer-aided design of PcaQ, we develop a hub metabolite-based autoregulation (HMA) system. This system can control the functional genes expression in response to heterologous LDAs and enhance metabolism efficiency. Multi-module genome integration and directed evolution further fortify the strain's stability and lignin conversion capacities, leading to PHB production titer of 2.38 g/L using heterologous LDAs as sole carbon source. This work not only marks a leap in bioplastic production from lignin components but also provides a strategy to redesign the non-LDAs-degrading microbes for efficient lignin valorization. One challenge in lignin valorization is that microorganisms possessing downstream metabolic advantages are unable to convert lignin. Here, the authors engineer the non-lignin-degrading bacterium Ralstonia eutropha to efficiently convert lignin into polyhydroxybutyrate using a self-enhanced autoregulation system.
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