Engineering Escherichia coli for High-Yield Protoporphyrin IX Biosynthesis via Cytotoxicity Mitigation and Pathway Optimization

原卟啉IX 细胞毒性 代谢工程 合成生物学 血红素 生物合成 代谢途径 生物化学 化学 四吡咯 计算生物学 原卟啉 代谢物 生物生产 细胞外 卟啉 细胞生物学 流出 细胞内 生物 原卟啉原氧化酶 裂解酶 单加氧酶
作者
Peng Sun,Linlin Qian,Wenliang Xie,Yao Jiang,Chun‐Xiu Li,Jiang Pan,Jian-He Xu
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:14 (11): 4400-4411
标识
DOI:10.1021/acssynbio.5c00302
摘要

Porphyrins are essential tetrapyrroles that play critical roles in biological electron-transfer and light-harvesting systems. As the universal precursor of heme and chlorophyll, protoporphyrin IX (PP IX) has transformative potential for fields as diverse as biomedicine, materials, food, and agriculture. However, large-scale microbial PP IX production is subject to challenges regarding cellular toxicity and regulation of tetrapyrrole biosynthesis. Herein, we report a synthetic-biology-driven Escherichia coli platform enabled by spatially resolved pathway optimization and cytotoxicity mitigation. By introducing a hyperactive 5-aminolevulinic acid synthase and rebalancing branch pathways via sRNA-based knockdown, we decoupled the PP IX synthesis from endogenous regulatory constraints. Integration of the MacAB-TolC efflux system reduced intracellular PP IX accumulation by 16%, synergistically enhancing extracellular productivity. PP IX titer values of 3.90 g/L and 65.0 mg/L/h productivity were achieved in a 5 L bioreactor, the highest ever reported. The engineered chassis exhibits metabolic plasticity, coproducing 0.24 g/L heme through dynamic pathway modifications. This work establishes a new paradigm for cytotoxic metabolite synthesis through spatiotemporal pathway governance, circumventing classical toxicity-productivity trade-offs. Our work establishes an efficient platform for microbial PP IX production. Furthermore, the engineered chassis developed here enables versatile applications in next-generation porphyrin biomanufacturing.
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