Metabolic Dynamics in Escherichia coli-Based Cell-Free Systems

代谢工程 新陈代谢 代谢组学 生物化学 系统生物学 蛋白质动力学 溶解 生物 代谢途径 计算生物学 生物信息学 蛋白质结构
作者
April M. Miguez,Yan Zhang,Fernanda Piorino,Mark P. Styczynski
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:10 (9): 2252-2265 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acssynbio.1c00167
摘要

The field of metabolic engineering has yielded remarkable accomplishments in using cells to produce valuable molecules, and cell-free expression (CFE) systems have the potential to push the field even further. However, CFE systems still face some outstanding challenges, including endogenous metabolic activity that is poorly understood yet has a significant impact on CFE productivity. Here, we use metabolomics to characterize the temporal metabolic changes in CFE systems and their constituent components, including significant metabolic activity in central carbon and amino acid metabolism. We find that while changing the reaction starting state via lysate preincubation impacts protein production, it has a comparatively small impact on metabolic state. We also demonstrate that changes to lysate preparation have a larger effect on protein yield and temporal metabolic profiles, though general metabolic trends are conserved. Finally, while we improve protein production through targeted supplementation of metabolic enzymes, we show that the endogenous metabolic activity is fairly resilient to these enzymatic perturbations. Overall, this work highlights the robust nature of CFE reaction metabolism as well as the importance of understanding the complex interdependence of metabolites and proteins in CFE systems to guide optimization efforts.
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