Enhancement of Patchoulol Production in Escherichia coli via Multiple Engineering Strategies

大肠杆菌 发酵 生物反应器 生物化学 化学 效价 代谢工程 法尼基二磷酸合酶 生物合成 生物 有机化学 基因 抗体 免疫学
作者
Li Zhou,Di Wang,Laichuang Han,Qian Wang,Haili Liu,Ping Cheng,Ruoxuan Li,Xuecong Guo,Zhemin Zhou
出处
期刊:Journal of Agricultural and Food Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:69 (27): 7572-7580 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acs.jafc.1c02399
摘要

As a natural sesquiterpene compound with numerous biological activities, patchoulol has extensive applications in the cosmetic industry and potential usage in pharmaceuticals. Although several patchoulol-producing microbial strains have been constructed, the low productivity still hampers large-scale fermentation. Escherichia coli possesses the ease of genetic manipulation and simple nutritional requirements and does not comprise competing pathways for the farnesyl diphosphate (FPP) precursor, showing its potential for patchoulol biosynthesis. Here, combinatorial strategies were applied to produce patchoulol in E. coli. The initial strain was constructed, and it produced 14 mg/L patchoulol after fermentation optimization. Patchoulol synthase (PTS) was engineered by semirational design, resulting in improved substrate binding affinity and a patchoulol titer of 40.3 mg/L; the patchoulol titer reached 66.2 mg/L after fusing of PTS with FPP synthase. To further improve the patchoulol production, the genome of an efficient chassis strain was engineered by deleting the competitive routes for acetate, lactate, ethanol, and succinate synthesis and cumulatively enhancing the expression of efflux transporters, which improved patchoulol production to 338.6 mg/L. When tested in a bioreactor, the patchoulol titer and productivity were further improved to 970.1 mg/L and 199 mg/L/d, respectively, and were among the highest levels reported using mineral salt medium.
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