Rebalancing microbial carbon distribution for L-threonine maximization using a thermal switch system

代谢工程 脱羧 代谢途径 发酵 苏氨酸 丙酮酸羧化酶 产量(工程) 生物 化学 生物化学 新陈代谢 材料科学 催化作用 冶金 丝氨酸
作者
Yu Fang,Jianli Wang,Wenjian Ma,Jun Yang,Hailing Zhang,Lei Zhao,Shanshan Chen,Shuyan Zhang,Xiaoqing Hu,Ye Li,Xiaoyuan Wang
出处
期刊:Metabolic Engineering [Elsevier]
卷期号:61: 33-46 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.ymben.2020.01.009
摘要

In metabolic engineering, unbalanced microbial carbon distribution has long blocked the further improvement in yield and productivity of high-volume natural metabolites. Current studies mostly focus on regulating desired biosynthetic pathways, whereas few strategies are available to maximize L-threonine efficiently. Here, we present a strategy to guarantee the supply of reduced cofactors and actualize L-threonine maximization by regulating cellular carbon distribution in central metabolic pathways. A thermal switch system was designed and applied to divide the whole fermentation process into two stages: growth and production. This system could rebalance carbon substrates between pyruvate and oxaloacetate by controlling the heterogenous expression of pyruvate carboxylase and oxaloacetate decarboxylation that responds to temperature. The system was tested in an L-threonine producer Escherichia coli TWF001, and the resulting strain TWF106/pFT24rp overproduced L-threonine from glucose with 111.78% molar yield. The thermal switch system was then employed to switch off the L-alanine synthesis pathway, resulting in the highest L-threonine yield of 124.03%, which exceeds the best reported yield (87.88%) and the maximum available theoretical value of L-threonine production (122.47%). This inducer-free genetic circuit design can be also developed for other biosynthetic pathways to increase product conversion rates and shorten production cycles.
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