Systems metabolic engineering of Escherichia coli for hyper-production of 5‑aminolevulinic acid

生物生产 代谢工程 大肠杆菌 生物化学 代谢途径 生物制造 合成生物学 蛋白质工程 生物过程 生物反应器 化学 生产过剩 生物技术 生物 计算生物学 基因 古生物学 有机化学
作者
Wei Pu,Jiuzhou Chen,Yingyu Zhou,H. Qiu,Shi Tang,Wenjuan Zhou,Xuan Guo,Ningyun Cai,Zijian Tan,Jiao Liu,Jinhui Feng,Yu Wang,Ping Zheng,Jibin Sun
出处
期刊:Biotechnology for biofuels and bioproducts [Springer Nature]
卷期号:16 (1) 被引量:4
标识
DOI:10.1186/s13068-023-02280-9
摘要

Abstract Background 5-Aminolevulinic acid (5-ALA) is a promising biostimulant, feed nutrient, and photodynamic drug with wide applications in modern agriculture and therapy. Although microbial production of 5-ALA has been improved realized by using metabolic engineering strategies during the past few years, there is still a gap between the present production level and the requirement of industrialization. Results In this study, pathway, protein, and cellular engineering strategies were systematically employed to construct an industrially competitive 5-ALA producing Escherichia coli . Pathways involved in precursor supply and product degradation were regulated by gene overexpression and synthetic sRNA-based repression to channel metabolic flux to 5-ALA biosynthesis. 5-ALA synthase was rationally engineered to release the inhibition of heme and improve the catalytic activity. 5-ALA transport and antioxidant defense systems were targeted to enhance cellular tolerance to intra- and extra-cellular 5-ALA. The final engineered strain produced 30.7 g/L of 5-ALA in bioreactors with a productivity of 1.02 g/L/h and a yield of 0.532 mol/mol glucose, represent a new record of 5-ALA bioproduction. Conclusions An industrially competitive 5-ALA producing E. coli strain was constructed with the metabolic engineering strategies at multiple layers (protein, pathway, and cellular engineering), and the strategies here can be useful for developing industrial-strength strains for biomanufacturing.
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