Evolving a New Efficient Mode of Fructose Utilization for Improved Bioproduction in Corynebacterium glutamicum

谷氨酸棒杆菌 果糖 生物化学 糖酵解 生物生产 磷酸果糖激酶 磷酸戊糖途径 果实分解 PEP群易位 生物 化学 突变体 新陈代谢 基因
作者
Irene Krahn,Daniel Bonder,Lucía Torregrosa-Barragán,Dominik Stoppel,Jens P. Krause,Natalie Rosenfeldt,Tobias M. Meiswinkel,Gerd M. Seibold,Volker F. Wendisch,Steffen N. Lindner
出处
期刊:Frontiers in Bioengineering and Biotechnology [Frontiers Media]
卷期号:9 被引量:8
标识
DOI:10.3389/fbioe.2021.669093
摘要

Fructose utilization in Corynebacterium glutamicum starts with its uptake and concomitant phosphorylation via the phosphotransferase system (PTS) to yield intracellular fructose 1-phosphate, which enters glycolysis upon ATP-dependent phosphorylation to fructose 1,6-bisphosphate by 1-phosphofructokinase. This is known to result in a significantly reduced oxidative pentose phosphate pathway (oxPPP) flux on fructose (∼10%) compared to glucose (∼60%). Consequently, the biosynthesis of NADPH demanding products, e.g., L -lysine, by C. glutamicum is largely decreased when fructose is the only carbon source. Previous works reported that fructose is partially utilized via the glucose-specific PTS presumably generating fructose 6-phosphate. This closer proximity to the entry point of the oxPPP might increase oxPPP flux and, consequently, NADPH availability. Here, we generated deletion strains lacking either the fructose-specific PTS or 1-phosphofructokinase activity. We used these strains in short-term evolution experiments on fructose minimal medium and isolated mutant strains, which regained the ability of fast growth on fructose as a sole carbon source. In these fructose mutants, the deletion of the glucose-specific PTS as well as the 6-phosphofructokinase gene, abolished growth, unequivocally showing fructose phosphorylation via glucose-specific PTS to fructose 6-phosphate. Gene sequencing revealed three independent amino acid substitutions in PtsG (M260V, M260T, and P318S). These three PtsG variants mediated faster fructose uptake and utilization compared to native PtsG. In-depth analysis of the effects of fructose utilization via these PtsG variants revealed significantly increased ODs, reduced side-product accumulation, and increased L -lysine production by 50%.

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