Application of Cell-Free Protein Synthesis System for the Biosynthesis of l-Theanine

生物合成 生物化学 生物 代谢工程 大肠杆菌 茶氨酸 化学 食品科学 基因 绿茶
作者
Junchen Feng,Yang Chen,Zhehao Zhao,Junjian Xu,Jian Li,Ping Li
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:10 (3): 620-631 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acssynbio.0c00618
摘要

l-Theanine, as an active component of the leaves of the tea plant, possesses many health benefits and broad applications. Chemical synthesis of l-theanine is possible; however, this method generates chiral compounds and needs further isolation of the pure l-isoform. Heterologous biosynthesis is an alternative strategy, but one main limitation is the toxicity of the substrate ethylamine on microbial host cells. In this study, we introduced a cell-free protein synthesis (CFPS) system for l-theanine production. The CFPS expressed l-theanine synthetase 2 from Camellia sinensis (CsTS2) could produce l-theanine at a concentration of 11.31 μM after 32 h of the synthesis reaction. In addition, three isozymes from microorganisms were expressed in CFPS for l-theanine biosynthesis. The γ-glutamylcysteine synthetase from Escherichia coli could produce l-theanine at the highest concentration of 302.96 μM after 24 h of reaction. Furthermore, CFPS was used to validate a hypothetical two-step l-theanine biosynthetic pathway consisting of the l-alanine decarboxylase from C. sinensis (CsAD) and multiple l-theanine synthases. Among them, the combination of CsAD and the l-glutamine synthetase from Pseudomonas taetrolens (PtGS) could synthesize l-theanine at the highest concentration of 13.42 μM. Then, we constructed an engineered E. coli strain overexpressed CsAD and PtGS to further confirm the l-theanine biosynthesis ability in living cells. This engineered E. coli strain could convert l-alanine and l-glutamate in the medium to l-theanine at a concentration of 3.82 mM after 72 h of fermentation. Taken together, these results demonstrated that the CFPS system can be used to produce the l-theanine through the two-step l-theanine biosynthesis pathway, indicating the potential application of CFPS for the biosynthesis of other active compounds.
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