Production of Optically Pure (S)-3-Hydroxy-γ-butyrolactone from d-Xylose Using Engineered Escherichia coli

木糖 大肠杆菌 发酵 对映体过量 生物催化 代谢工程 化学 脱氢酶 甘油 生物合成 产量(工程) 生物化学 木糖代谢 产物抑制 立体化学 对映选择合成 非竞争性抑制 材料科学 反应机理 催化作用 冶金 基因
作者
Yujin Cao,Wei Niu,Jiantao Guo,Jing Guo,Hui Liu,Huizhou Liu,Mo Xian
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:71 (50): 20167-20176
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.3c06589
摘要

Biocatalysis has advantages in asymmetric synthesis due to the excellent stereoselectivity of enzymes. The present study established an efficient biosynthesis pathway for optically pure (S)-3-hydroxy-γ-butyrolactone [(S)-3HγBL] production using engineered Escherichia coli. We mimicked the 1,2,4-butanetriol biosynthesis route and constructed a five-step pathway consisting of d-xylose dehydrogenase, d-xylonolactonase, d-xylonate dehydratase, 2-keto acid decarboxylase, and aldehyde dehydrogenase. The engineered strain harboring the five enzymes could convert d-xylose to 3HγBL with glycerol as the carbon source. Stereochemical analysis by chiral GC proved that the microbially synthesized product was a single isomer, and the enantiomeric excess (ee) value reached 99.3%. (S)-3HγBL production was further enhanced by disrupting the branched pathways responsible for d-xylose uptake and intermediate reduction. Fed-batch fermentation of the best engineered strain showed the highest (S)-3HγBL titer of 3.5 g/L. The volumetric productivity and molar yield of (S)-3HγBL on d-xylose reached 50.6 mg/(L·h) and 52.1%, respectively. The final fermentation product was extracted, purified, and confirmed by NMR. This process utilized renewable d-xylose as the feedstock and offered an alternative approach for the production of the valuable chemical.
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