In vitro metabolic engineering of bioelectricity generation by the complete oxidation of glucose

磷酸戊糖途径 生物化学 葡萄糖激酶 氧化磷酸化 代谢工程 葡萄糖6-磷酸 化学 糖酵解 磷酸糖 糖异生 三氟化锡 生物 酵母 酿酒酵母
作者
Zhiguang Zhu,Y.-H. Percival Zhang
出处
期刊:Metabolic Engineering [Elsevier BV]
卷期号:39: 110-116 被引量:70
标识
DOI:10.1016/j.ymben.2016.11.002
摘要

The direct generation of electricity from the most abundant renewable sugar, glucose, is an appealing alternative to the production of liquid biofuels and biohydrogen. However, enzyme-catalyzed bioelectricity generation from glucose suffers from low yields due to the incomplete oxidation of the six-carbon compound glucose via one or few enzymes. Here, we demonstrate a synthetic ATP- and CoA-free 12-enzyme pathway to implement the complete oxidation of glucose in vitro. This pathway is comprised of glucose phosphorylation via polyphosphate glucokinase, NADH generation catalyzed by glucose 6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGDH), electron transfer from NADH to the anode, and glucose 6-phosphate regeneration via the non-oxidative pentose phosphate pathway and gluconeogenesis. The faraday efficiency from glucose to electrons via this pathway was as high as 98.8%, suggesting the generation of nearly 24 electrons per molecule of glucose. The generated current density was greatly increased from 2.8 to 6.9mAcm-2 by replacing a low-activity G6PDH with a high-activity G6PDH and introducing a new enzyme, 6-phosphogluconolactonase, between G6PDH and 6PGDH. These results suggest the great potential of high-yield bioelectricity generation through in vitro metabolic engineering.
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