Pathway Evolution Through a Bottlenecking‐Debottlenecking Strategy and Machine Learning‐Aided Flux Balancing

计算生物学 生物 焊剂(冶金) 生化工程 计算机科学 化学 工程类 有机化学
作者
Huaxiang Deng,Han Yu,Y. Deng,Yulan Qiu,Feifei Li,Xinran Wang,Jiahui He,Wei-Yue Liang,Yunquan Lan,Longjiang Qiao,Zhiyu Zhang,Yunfeng Zhang,Jay D. Keasling,Xiaozhou Luo
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:11 (14): e2306935-e2306935 被引量:20
标识
DOI:10.1002/advs.202306935
摘要

Abstract The evolution of pathway enzymes enhances the biosynthesis of high‐value chemicals, crucial for pharmaceutical, and agrochemical applications. However, unpredictable evolutionary landscapes of pathway genes often hinder successful evolution. Here, the presence of complex epistasis is identifued within the representative naringenin biosynthetic pathway enzymes, hampering straightforward directed evolution. Subsequently, a biofoundry‐assisted strategy is developed for pathway bottlenecking and debottlenecking, enabling the parallel evolution of all pathway enzymes along a predictable evolutionary trajectory in six weeks. This study then utilizes a machine learning model, ProEnsemble, to further balance the pathway by optimizing the transcription of individual genes. The broad applicability of this strategy is demonstrated by constructing an Escherichia coli chassis with evolved and balanced pathway genes, resulting in 3.65 g L −1 naringenin. The optimized naringenin chassis also demonstrates enhanced production of other flavonoids. This approach can be readily adapted for any given number of enzymes in the specific metabolic pathway, paving the way for automated chassis construction in contemporary biofoundries.
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