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Multistrategic Engineering of Escherichia coli for High-Level Production of 3,4-Dihydroxybutyric Acid

木糖 代谢工程 生物化学 代谢途径 木糖代谢 化学 发酵 辅因子 生物合成 木质纤维素生物量 合成生物学 生物催化 脱氢酶 运动发酵单胞菌 生物反应器 生物技术 生物量(生态学) 醛脱氢酶 醇脱氢酶 产量(工程) 生化工程 生物 NAD+激酶 转录组 工业微生物学 质粒 计算生物学
作者
Rui Li,T.C.E. Cheng,Mo Xian,Huibin Zou,Rubing Zhang
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acssynbio.5c00906
摘要

3,4-Dihydroxybutyric acid (3,4-DHBA) is an important precursor for the synthesis of high-value fine chemicals; however, its sustainable production in microbial hosts is limited by plasmid instability and low titers. In this study, we aimed to construct a chromosome-integrated E. coli platform for plasmid-free and inducer-free biosynthesis of 3,4-DHBA from xylose and glycerol. First, preliminary pathway reconstruction through elimination of competing routes and genomic integration of key xylose dehydrogenase increased 3,4-DHBA accumulation to 1.30 g/L. Subsequently, systematic enzyme screening identified optimal aldehyde dehydrogenase and xylonate dehydratase, and an NAD+ regeneration module was introduced to strengthen redox cofactor cycling for enhanced 3,4-DHBA production. The successful plasmid- and inducer-free biosynthesis of 3,4-DHBA was accomplished by integrating all pathway genes into the genome. Furthermore, transcriptome analysis revealed that xylose transporters were unrecognized metabolic bottlenecks, and their targeted overexpression significantly improved xylose uptake and 3,4-DHBA flux. The final strain achieved a titer of 3.08 g/L in shake flask cultivation and 46.10 g/L in fed-batch fermentation with a yield of 0.49 g/g xylose and a productivity of 0.92 g/(L·h), which are the highest values reported to date. This integrated strategy establishes a scalable and cost-effective route for 3,4-DHBA production, highlighting the value of combining pathway engineering with transportation optimization in biocatalyst design and enabling lignocellulosic biomass hydrolyzates as substrates for 3,4-DHBA production.
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