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Construction and optimization of Saccharomyces cerevisiae for synthesizing forskolin

福斯科林 酿酒酵母 代谢物 代谢工程 生物化学 代谢途径 发酵 米根霉 化学 生物 新陈代谢 酵母 体外
作者
Haiyan Ju,Chuanbo Zhang,Shifan He,Weihua Nan,Wenyu Lü
出处
期刊:Applied Microbiology and Biotechnology [Springer Science+Business Media]
卷期号:106 (5-6): 1933-1944 被引量:10
标识
DOI:10.1007/s00253-022-11819-z
摘要

Forskolin, one of the primary active metabolites of labdane-type diterpenoids, exhibits significant medicinal value, such as anticancer, antiasthmatic, and antihypertensive activities. In this study, we constructed a Saccharomyces cerevisiae cell factory that efficiently produced forskolin. First, a chassis strain that can accumulate 145.8 mg/L 13R-manoyl oxide (13R-MO), the critical precursor of forskolin, was constructed. Then, forskolin was produced by integrating CfCYP76AH15, CfCYP76AH11, CfCYP76AH16, ATR1, and CfACT1-8 into the 13R-MO chassis with a titer of 76.25 μg/L. We confirmed that cytochrome P450 enzymes (P450s) are the rate-limiting step by detecting intermediate metabolite accumulation. Forskolin production reached 759.42 μg/L by optimizing the adaptations between CfCYP76AHs, t66CfCPR, and t30AaCYB5. Moreover, multiple metabolic engineering strategies, including regulation of the target genes' copy numbers, amplification of the endoplasmic reticulum (ER) area, and cofactor metabolism enhancement, were implemented to enhance the metabolic flow to forskolin from 13R-MO, resulting in a final forskolin yield of 21.47 mg/L in shake flasks and 79.33 mg/L in a 5 L bioreactor. These promising results provide guidance for the synthesis of other natural terpenoids in S. cerevisiae, especially for those containing multiple P450s in their synthetic pathways. KEY POINTS: • The forskolin biosynthesis pathway was optimized from the perspective of system metabolism for the first time in S. cerevisiae. • The adaptation and optimization of CYP76AHs, t66CfCPR, and t30AaCYB5 promote forskolin accumulation, which can provide a reference for diterpenoids containing complex pathways, especially multiple P450s pathways. • The forskolin titer of 79.33 mg/L is the highest production currently reported and was achieved by fed-batch fermentation in a 5 L bioreactor.
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