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Characterizing and utilizing oxygen-dependent promoters for efficient dynamic metabolic engineering

代谢工程 无氧运动 发起人 生物 生物化学 发酵 大肠杆菌 基因表达 计算生物学 基因 生理学
作者
Julian L. Wichmann,Gerrich Behrendt,Simon Boecker,Steffen Klamt
出处
期刊:Metabolic Engineering [Elsevier]
卷期号:77: 199-207 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.ymben.2023.04.006
摘要

Promoters adjust cellular gene expression in response to internal or external signals and are key elements for implementing dynamic metabolic engineering concepts in fermentation processes. One useful signal is the dissolved oxygen content of the culture medium, since production phases often proceed in anaerobic conditions. Although several oxygen-dependent promoters have been described, a comprehensive and comparative study is missing. The goal of this work is to systematically test and characterize 15 promoter candidates that have been previously reported to be induced upon oxygen depletion in Escherichia coli. For this purpose, we developed a microtiter plate-level screening using an algal oxygen-independent flavin-based fluorescent protein and additionally employed flow cytometry analysis for verification. Various expression levels and dynamic ranges could be observed, and six promoters (nar-strong, nar-medium, nar-weak, nirB-m, yfiD-m, and fnrF8) appear particularly suited for dynamic metabolic engineering applications. We demonstrate applicability of these candidates for dynamic induction of enforced ATP wasting, a metabolic engineering approach to increase productivity of microbial strains that requires a narrow level of ATPase expression for optimal function. The selected candidates exhibited sufficient tightness under aerobic conditions while, under complete anaerobiosis, driving expression of the cytosolic F1-subunit of the ATPase from E. coli to levels that resulted in unprecedented specific glucose uptake rates. We finally utilized the nirB-m promoter to demonstrate the optimization of a two-stage lactate production process by dynamically enforcing ATP wasting, which is automatically turned on in the anaerobic (growth-arrested) production phase to boost the volumetric productivity. Our results are valuable for implementing metabolic control and bioprocess design concepts that use oxygen as signal for regulation and induction.
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