Systems Metabolic Engineering of Escherichia coli for Efficient de novo Biosynthesis of 2,5-Dimethylpyrazine from Glucose

代谢工程 生物合成 生物化学 异源的 代谢途径 化学 酶 质粒 新陈代谢 可持续生产 蛋白质工程 苏氨酸 异源表达 生物 合成生物学 生物反应器 拉伤 脱氢酶 生产过剩 微生物 工业微生物学 蛋白质生物合成 化学合成 大肠杆菌
作者
Xinyu Zhou,Jiawei Zhang,Mengna Ren,Jin Li,Feiao Wang,Siyu Tian,Guihong Zhao,Cuiying Zhang,Yanjun Li
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:74 (11): 9628-9640 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.5c18057
摘要

2,5-Dimethylpyrazine (2,5-DMP) is an important flavor compound in food and a valuable intermediate in pharmaceutical synthesis. Conventional chemical synthesis of 2,5-DMP requires harsh conditions and generates toxic byproducts. Growing demand for natural and sustainable products has made microbial biosynthesis via metabolic engineering an attractive alternative. Here, we achieved de novo biosynthesis of 2,5-DMP in wild-type Escherichia coli W3110 through systems metabolic engineering. An l -threonine overproducing strain, supplying the precursor for 2,5-DMP synthesis, was first constructed. The pathway converting l -threonine to L-2-aminoacetoacetate was then established, enabling 0.41 g/L 2,5-DMP production in shake-flask fermentation. Disruption of competing pathways, introduction of a heterologous aminoacetone oxidase, and deletion of l -threonine exporters further enhanced 2,5-DMP production. A genome-integrated T7 expression system for threonine dehydrogenase eliminated the plasmid dependence. Adaptive laboratory evolution improved 2,5-DMP tolerance and yield, with the evolved strain producing 3.72 g/L in broth and 4.51 g/L after recovery of volatile 2,5-DMP from off-gas─the highest titer reported to date. This study establishes a genetically stable, plasmid-free E. coli platform for efficient and sustainable 2,5-DMP biomanufacturing.
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