Integration of Yeast Episomal/Integrative Plasmid Causes Genotypic and Phenotypic Diversity and Improved Sesquiterpene Production in Metabolically Engineered Saccharomyces cerevisiae

质粒 生物 酿酒酵母 代谢工程 遗传学 酵母 清脆的 尼罗利多 基因 计算生物学 表型 基因组编辑 基因组 植物 精油 芳樟醇
作者
Bingyin Peng,Sarah J. Weintraub,Zeyu Lu,Samuel Evans,Qianyi Shen,Liam McDonnell,Manuel R. Plan,Thomas Collier,Li Chen Cheah,Lei Ji,Christopher B. Howard,Will Anderson,Matt Trau,Geoff Dumsday,Erin Bredeweg,Eric M. Young,Robert Speight,Claudia E. Vickers
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:13 (1): 141-156 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acssynbio.3c00363
摘要

The variability in phenotypic outcomes among biological replicates in engineered microbial factories presents a captivating mystery. Establishing the association between phenotypic variability and genetic drivers is important to solve this intricate puzzle. We applied a previously developed auxin-inducible depletion of hexokinase 2 as a metabolic engineering strategy for improved nerolidol production in Saccharomyces cerevisiae, and biological replicates exhibit a dichotomy in nerolidol production of either 3.5 or 2.5 g L–1 nerolidol. Harnessing Oxford Nanopore's long-read genomic sequencing, we reveal a potential genetic cause─the chromosome integration of a 2μ sequence-based yeast episomal plasmid, encoding the expression cassettes for nerolidol synthetic enzymes. This finding was reinforced through chromosome integration revalidation, engineering nerolidol and valencene production strains, and generating a diverse pool of yeast clones, each uniquely fingerprinted by gene copy numbers, plasmid integrations, other genomic rearrangements, protein expression levels, growth rate, and target product productivities. Τhe best clone in two strains produced 3.5 g L–1 nerolidol and ∼0.96 g L–1 valencene. Comparable genotypic and phenotypic variations were also generated through the integration of a yeast integrative plasmid lacking 2μ sequences. Our work shows that multiple factors, including plasmid integration status, subchromosomal location, gene copy number, sesquiterpene synthase expression level, and genome rearrangement, together play a complicated determinant role on the productivities of sesquiterpene product. Integration of yeast episomal/integrative plasmids may be used as a versatile method for increasing the diversity and optimizing the efficiency of yeast cell factories, thereby uncovering metabolic control mechanisms.
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