Enhancing Lactulose Production by An Engineered Escherichia coli via Enzymatic Modification and Compartmentalization

分区(防火) 乳果糖 生物催化 纤维二糖 生物转化 大肠杆菌 合成生物学 化学 生物 发酵 生物化学 计算生物学 催化作用 纤维素酶 离子液体 基因
作者
Meihereayi Mutailifu,Nuo-Qiao Lin,Fei Liu,Jian-Zhong Liu
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:73 (30): 18876-18888 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c04270
摘要

Lactulose, a high-value lactose derivative with extensive pharmaceutical and nutritional applications, continues to face production challenges in enzymatic synthesis using cellobiose 2-epimerase (CE). To address this limitation, we present an integrated biocatalytic strategy combining enzyme engineering, spatial compartmentalization, and process optimization. Through targeted artificial DNA replisome (TADR)-directed evolution and rational design with UniKP computational prediction, we developed a quadruple mutant Dictyoglomus thermophilum CE (DithCEMUT) with enhanced catalytic efficiency. Systematic evaluation of four compartmentalization approaches revealed that vesicle-nucleating peptide 6 (VNp6)-mediated spatial organization increased lactulose production by 2.3-fold compared to no-compartmentalization enzyme systems. We further established three streamlined bioconversion platforms (whole-cell, crude enzyme and heat-treated enzyme biocatalysis), with the heat-treated enzyme from VNp6-compartmentalized DithCEMUT achieving record productivity: 320.49 ± 4.81 g/L lactulose with a yield of 94.5% in the presence of borate. These strategies of enzymatic modification and compartmentalization are powerful tools for synthetic biomanufacturers.
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