Synergistic substrate cofeeding stimulates reductive metabolism

分解代谢抑制 脂肪生成 代谢途径 生物化学 化学 新陈代谢 醋酸激酶 基质(水族馆) 磷酸戊糖途径 生物 糖酵解 生态学 基因 突变体 大肠杆菌
作者
Junyoung O. Park,Nian Liu,Kara M. Holinski,David Emerson,Kangjian Qiao,Benjamin M. Woolston,Jingyang Xu,Zbigniew Lazar,M. Ahsanul Islam,Charles Vidoudez,Peter R. Girguis,Gregory Stephanopoulos
出处
期刊:Nature metabolism [Nature Portfolio]
卷期号:1 (6): 643-651 被引量:114
标识
DOI:10.1038/s42255-019-0077-0
摘要

Advanced bioproduct synthesis via reductive metabolism requires coordinating carbons, ATP and reducing agents, which are generated with varying efficiencies depending on metabolic pathways. Substrate mixtures with direct access to multiple pathways may optimally satisfy these biosynthetic requirements. However, native regulation favouring preferential use precludes cells from co-metabolizing multiple substrates. Here we explore mixed substrate metabolism and tailor pathway usage to synergistically stimulate carbon reduction. By controlled cofeeding of superior ATP and NADPH generators as 'dopant' substrates to cells primarily using inferior substrates, we circumvent catabolite repression and drive synergy in two divergent organisms. Glucose doping in Moorella thermoacetica stimulates CO2 reduction (2.3 g gCDW−1 h−1) into acetate by augmenting ATP synthesis via pyruvate kinase. Gluconate doping in Yarrowia lipolytica accelerates acetate-driven lipogenesis (0.046 g gCDW−1 h−1) by obligatory NADPH synthesis through the pentose cycle. Together, synergistic cofeeding produces CO2-derived lipids with 38% energy yield and demonstrates the potential to convert CO2 into advanced bioproducts. This work advances the systems-level control of metabolic networks and CO2 use, the most pressing and difficult reduction challenge. Bioproduct synthesis via reductive metabolism occurs with different efficiencies according to the availability of carbons, ATP and reducing agents. To maximize overall product synthesis efficiency, the authors develop a substrate cofeeding strategy, which circumvents catabolite repression and drives synergy in lipid synthesis from CO2 using two microbes.
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