Optogenetic regulation of engineered cellular metabolism for microbial chemical production

异丁醇 光遗传学 代谢工程 发酵 酿酒酵母 化学 代谢途径 合成生物学 细胞生物学 酵母 生物化学 生物 计算生物学 神经科学
作者
Evan M. Zhao,Yanfei Zhang,Justin Mehl,Helen Park,Makoto A. Lalwani,Jared E. Toettcher,José L. Avalos‬
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:555 (7698): 683-687 被引量:313
标识
DOI:10.1038/nature26141
摘要

The optimization of engineered metabolic pathways requires careful control over the levels and timing of metabolic enzyme expression. Optogenetic tools are ideal for achieving such precise control, as light can be applied and removed instantly without complex media changes. Here we show that light-controlled transcription can be used to enhance the biosynthesis of valuable products in engineered Saccharomyces cerevisiae. We introduce new optogenetic circuits to shift cells from a light-induced growth phase to a darkness-induced production phase, which allows us to control fermentation with only light. Furthermore, optogenetic control of engineered pathways enables a new mode of bioreactor operation using periodic light pulses to tune enzyme expression during the production phase of fermentation to increase yields. Using these advances, we control the mitochondrial isobutanol pathway to produce up to 8.49 ± 0.31 g l-1 of isobutanol and 2.38 ± 0.06 g l-1 of 2-methyl-1-butanol micro-aerobically from glucose. These results make a compelling case for the application of optogenetics to metabolic engineering for the production of valuable products.
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