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Combinatorial metabolic engineering of Bacillus subtilis enables the efficient biosynthesis of isoquercitrin from quercetin

枯草芽孢杆菌 代谢工程 生物合成 槲皮素 生物技术 合成生物学 化学 杆菌科 代谢途径 生物化学 生物 计算生物学 微生物学 细菌 遗传学 抗氧化剂
作者
Tengfei Niu,Chaokang Huang,Rufeng Wang,Li Yang,Shujuan Zhao,Zhengtao Wang
出处
期刊:Microbial Cell Factories [Springer Nature]
卷期号:23 (1)
标识
DOI:10.1186/s12934-024-02390-5
摘要

Isoquercitrin (quercetin-3-O-β-D-glucopyranoside) has exhibited promising therapeutic potentials as cardioprotective, anti-diabetic, anti-cancer, and anti-viral agents. However, its structural complexity and limited natural abundance make both bulk chemical synthesis and extraction from medical plants difficult. Microbial biotransformation through heterologous expression of glycosyltransferases offers a safe and sustainable route for its production. Despite several attempts reported in microbial hosts, the current production levels of isoquercitrin still lag behind industrial standards.Herein, the heterologous expression of glycosyltransferase UGT78D2 gene in Bacillus subtilis 168 and reconstruction of UDP-glucose (UDP-Glc) synthesis pathway led to the synthesis of isoquercitrin from quercetin with titers of 0.37 g/L and 0.42 g/L, respectively. Subsequently, the quercetin catabolism blocked by disruption of a quercetin dioxygenase, three ring-cleavage dioxygenases, and seven oxidoreductases increased the isoquercitrin titer to 1.64 g/L. And the hydrolysis of isoquercitrin was eliminated by three β-glucosidase genes disruption, thereby affording 3.58 g/L isoquercitrin. Furthermore, UDP-Glc pool boosted by pgi (encoding glucose-6-phosphate isomerase) disruption increased the isoquercitrin titer to 10.6 g/L with the yield on quercetin of 72% and to 35.6 g/L with the yield on quercetin of 77.2% in a 1.3-L fermentor.The engineered B. subtilis strain developed here holds great potential for initiating the sustainable and large-scale industrial production of isoquercitrin. The strategies proposed in this study provides a reference to improve the production of other flavonoid glycosides by engineered B. subtilis cell factories.
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