Optogenetic reprogramming of carbon metabolism using light-powering microbial proton pump systems

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作者
Yoshihiro Toya,Yoko Hirono-Hara,Hidenobu Hirayama,Kentaro Kamata,Ryo Tanaka,Mikoto Sano,Sayaka Kitamura,Kensuke Otsuka,Rei Abe-Yoshizumi,Satoshi P. Tsunoda,Hiroshi Kikukawa,Hideki Kandori,Hiroshi Shimizu,Fumio Mizutani,Jun Ishii,Kiyotaka Y. Hara
出处
期刊:Metabolic Engineering [Elsevier]
卷期号:72: 227-236 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.ymben.2022.03.012
摘要

In microbial fermentative production, ATP regeneration, while crucial for cellular processes, conflicts with efficient target chemical production because ATP regeneration exhausts essential carbon sources also required for target chemical biosynthesis. To wrestle with this dilemma, we harnessed the power of microbial rhodopsins with light-driven proton pumping activity to supplement with ATP, thereby facilitating the bioproduction of various chemicals. We first demonstrated a photo-driven ATP supply and redistribution of metabolic carbon flows to target chemical synthesis by installing already-known delta rhodopsin (dR) in Escherichia coli. In addition, we identified novel rhodopsins with higher proton pumping activities than dR, and created an engineered cell for in vivo self-supply of the rhodopsin-activator, all-trans-retinal. Our concept exploiting the light-powering ATP supplier offers a potential increase in carbon use efficiency for microbial productions through metabolic reprogramming.
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