Peroxisome compartmentalization of a toxic enzyme improves alkaloid production

过氧化物酶体 苄基异喹啉 分区(防火) 生物化学 代谢工程 胞浆 细胞生物学 酿酒酵母 化学 酶 生物 生物合成 酵母 基因
作者
Parbir S. Grewal,Jennifer A. Samson,Jordan J. Baker,Brian Choi,John E. Dueber
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1): 96-103 被引量:143
标识
DOI:10.1038/s41589-020-00668-4
摘要

Eukaryotic cells compartmentalize metabolic pathways in organelles to achieve optimal reaction conditions and avoid crosstalk with cytosolic factors. We found that cytosolic expression of norcoclaurine synthase (NCS), the enzyme that catalyzes the first committed reaction in benzylisoquinoline alkaloid biosynthesis, is toxic in Saccharomyces cerevisiae and, consequently, restricts (S)-reticuline production. We developed a compartmentalization strategy that alleviates NCS toxicity while promoting increased (S)-reticuline titer. This strategy is achieved through efficient targeting of toxic NCS to the peroxisome while, crucially, taking advantage of the free flow of metabolite substrates and products across the peroxisome membrane. We demonstrate that expression of engineered transcription factors can mimic the oleate response for larger peroxisomes, further increasing benzylisoquinoline alkaloid titer without the requirement for peroxisome induction with fatty acids. This work specifically addresses the challenges associated with toxic NCS expression and, more broadly, highlights the potential for engineering organelles with desired characteristics for metabolic engineering.
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