Combining CRISPR and CRISPRi Systems for Metabolic Engineering of E. coli and 1,4-BDO Biosynthesis

代谢工程 清脆的 CRISPR干扰 基因 基因组工程 异源的 基因组编辑 生物 代谢途径 计算生物学 生物合成 基因组 基因敲除 焊剂(冶金) 大肠杆菌 遗传学 化学 有机化学
作者
Mengying Wu,Li‐Yu Sung,Hung Li,Chun-Hung Huang,Yu‐Chen Hu
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:6 (12): 2350-2361 被引量:92
标识
DOI:10.1021/acssynbio.7b00251
摘要

Biosynthesis of 1,4-butanediol (1,4-BDO) in E. coli requires an artificial pathway that involves six genes and time-consuming, iterative genome engineering. CRISPR is an effective gene editing tool, while CRISPR interference (CRISPRi) is repurposed for programmable gene suppression. This study aimed to combine both CRISPR and CRISPRi for metabolic engineering of E. coli and 1,4-BDO production. We first exploited CRISPR to perform point mutation of gltA, replacement of native lpdA with heterologous lpdA, knockout of sad and knock-in of two large (6.0 and 6.3 kb in length) gene cassettes encoding the six genes (cat1, sucD, 4hbd, cat2, bld, bdh) in the 1,4-BDO biosynthesis pathway. The successive E. coli engineering enabled production of 1,4-BDO to a titer of 0.9 g/L in 48 h. By combining the CRISPRi system to simultaneously suppress competing genes that divert the flux from the 1,4-BDO biosynthesis pathway (gabD, ybgC and tesB) for >85%, we further enhanced the 1,4-BDO titer for 100% to 1.8 g/L while reducing the titers of byproducts gamma-butyrolactone and succinate for 55% and 83%, respectively. These data demonstrate the potential of combining CRISPR and CRISPRi for genome engineering and metabolic flux regulation in microorganisms such as E. coli and production of chemicals (e.g., 1,4-BDO).
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