Engineered phenylalanine hydroxylase coupled with an effective cofactor synthesis and regeneration system for high-yield production of 5-hydroxytryptophan

工业与生产工程 苯丙氨酸羟化酶 产量(工程) 苯丙氨酸 辅因子 5-羟基色氨酸 化学 生产(经济) 生物化学 工程类 材料科学 氨基酸 血清素 经济 冶金 受体 电气工程 宏观经济学
作者
Yu-Lin Ai,Y. Huang,Hongru Zhao,Bingmei Su,Juan Lin
出处
期刊:Bioresources and Bioprocessing [Springer Nature]
卷期号:12 (1)
标识
DOI:10.1186/s40643-025-00846-z
摘要

5-Hydroxytryptophan (5-HTP) is widely used as a natural remedy for sleep disorders. In terms of biosafety, bio-derived 5-HTP is preferred over chemically synthesized 5-HTP. However, the low titer of 5-HTP in the reported microbiological methods (< 10 g/L) limits the industrialization of 5-HTP biosynthesis. In the present study, a Trp-accumulating E. coli strain TRP1 was constructed by blocking the degradation path (ΔtnaA), branching paths (ΔpheA, ΔtyrA) and repression system (ΔtrpR, ΔtrpL). Next, the hydroxylation module employing a phenylalanine hydroxylase mutant XcPAHW179F (XC2) coupled with an MH4 regenerating system (CvPCD-EcFolM system) was screened to convert L-Trp into 5-HTP. Protein engineering was performed on hydroxylase XC2 based on the molecular dynamics simulation of the enzyme-substrate complex, and the strain TRP1-XC4 harboring the triple-mutant XcPAHL98I/A129K/W179F (XC4) was able to produce 319.4 mg/L 5-HTP. Genome editing was carried out focused on accelerating product efflux (strengthening YddG) and increasing MH4 supply (strengthening FolM, FolE and FolX), resulting in a strain TRP5-XC4 to produce 13.9 g/L 5-HTP in 5 L fed-batch fermentation with a space-time yield of 0.29 g/L/h, which is the highest production and productivity record for 5-HTP biosynthesis. This study successfully provided an engineered strain and an efficient green method for the industrial synthesis of 5-HTP.
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