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Hierarchical Flux‐Protection Engineering Stabilizes Oxidation‐Prone Metabolic Nodes for High‐Level Curcumin Biosynthesis

姜黄素 化学 生物合成 生物化学 焊剂(冶金) 代谢工程 细胞内 碳通量 代谢途径 苯丙素 氧化还原 多酚 分解代谢 可转让性 新陈代谢 功能(生物学) 代谢中间体 生物反应器 代谢通量分析 酶 碳纤维 活性氧 通量平衡分析 舱室(船) 氧化酶试验
作者
Jianbin Chen,Qihang Chen,Shurong Zhang,Yajuan Su,Xiaoyi Zou,Ke Wang,Shike Liu,Qian He,Liang Zhang,Weizhu Zeng,Jingwen Zhou
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:: e77628-e77628
标识
DOI:10.1002/advs.77628
摘要

ABSTRACT Biosynthesis of complex natural products in engineered microbial hosts is frequently constrained by unstable oxidation‐prone intermediates that disrupt metabolic balance and lower carbon flux efficiency. In the synthesis pathways of polyphenolic compounds, redox‐sensitive nodes often function as bottlenecks due to intermediate accumulation and spontaneous oxidation under aerobic conditions. In this study, the oxygen‐dependent degradation of L‐3,4‐dihydroxyphenylalanine (L‐DOPA), a redox‐sensitive intermediate in curcumin biosynthesis, was characterized, and a hierarchical strategy was implemented to stabilize oxidation‐prone nodes while rebalancing intracellular carbon and electron fluxes. Adaptive evolution improved host robustness, respiratory chain modulation redistributed reducing equivalents under oxygen limitation, and directed evolution of 4‐hydroxyphenylacetate 3‐monooxygenase (HpaB) rebalanced intermediate distribution and enhanced productive hydroxylation. Combined with multistage pH–DO control, these strategies markedly improved carbon utilization efficiency and curcumin biosynthesis. In 5 L fed‐batch fermentation, curcumin production reached 1075.2 mg/L, the highest reported titer for single‐strain de novo curcumin biosynthesis. Extension of this framework to caffeic acid production increased the titer by approximately 69.1% and reduced A 400 ‐associated browning, supporting transferability to another oxidation‐prone phenolic product. This study demonstrates the effectiveness of flux protection in curcumin biosynthesis and supports the potential transferability of this framework to related HpaB‐dependent phenylpropanoid pathways.
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