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Engineered Assimilation of Exogenous and Endogenous Formate in <i>Escherichia coli</i>

格式化 代谢工程 生物化学 丝氨酸 甲酸脱氢酶 合成生物学 化学 代谢途径 大肠杆菌 同化(音韵学) 生物合成 生物 新陈代谢 计算生物学 催化作用 哲学 基因 语言学
作者
Oren Yishai,Leander Goldbach,Hezi Tenenboim,Steffen N. Lindner,Arren Bar-Even
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:6 (9): 1722-1731 被引量:50
标识
DOI:10.1021/acssynbio.7b00086
摘要

Decoupling biorefineries from land use and agriculture is a major challenge. As formate can be produced from various sources, e.g., electrochemical reduction of CO2, microbial formate-assimilation has the potential to become a sustainable feedstock for the bioindustry. However, organisms that naturally grow on formate are limited by either a low biomass yield or by a narrow product spectrum. The engineering of a model biotechnological microbe for growth on formate via synthetic pathways represents a promising approach to tackle this challenge. Here, we achieve a critical milestone for two such synthetic formate-assimilation pathways in Escherichia coli. Our engineering strategy involves the division of the pathways into metabolic modules; the activity of each module-providing at least one essential building block-is selected for in an appropriate auxotrophic strain. We demonstrate that formate can serve as a sole source of all cellular C1-compounds, including the beta-carbon of serine. We further show that by overexpressing the native threonine cleavage enzymes, the entire cellular glycine requirement can be provided by threonine biosynthesis and degradation. Together, we confirm the simultaneous activity of all pathway segments of the synthetic serine-threonine cycle. We go beyond the formate bioeconomy concept by showing that, under anaerobic conditions, formate produced endogenously by pyruvate formate-lyase can replace exogenous formate. The resulting prototrophic strain constitutes a substantial rewiring of central metabolism in which C1, glycine, and serine metabolism proceed via a unique set of pathways. This strain can serve as a platform for future metabolic-engineering efforts and could further pave the way for investigating the plasticity of metabolic networks.
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