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Lignin valorization to bioplastics with an aromatic hub metabolite-based autoregulation system

生物塑料 木质素 代谢物 化学 自动调节 生物技术 生化工程 生物化学 生物 有机化学 工程类 生态学 血压 内分泌学
作者
Yiquan Zhao,Le Xue,Zhiyi Huang,Zixian Lei,Shiyu Xie,Zhenzhen Cai,Xinran Rao,Ze Zheng,Ning Xiao,Xiaoyu Zhang,Fuying Ma,Hongbo Yu,Shangxian Xie
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 9288-9288 被引量:22
标识
DOI:10.1038/s41467-024-53609-3
摘要

Exploring microorganisms with downstream synthetic advantages in lignin valorization is an effective strategy to increase target product diversity and yield. This study ingeniously engineers the non-lignin-degrading bacterium Ralstonia eutropha H16 (also known as Cupriavidus necator H16) to convert lignin, a typically underutilized by-product of biorefinery, into valuable bioplastic polyhydroxybutyrate (PHB). The aromatic metabolism capacities of R. eutropha H16 for different lignin-derived aromatics (LDAs) are systematically characterized and complemented by integrating robust functional modules including O-demethylation, aromatic aldehyde metabolism and the mitigation of by-product inhibition. A pivotal discovery is the regulatory element PcaQ, which is highly responsive to the aromatic hub metabolite protocatechuic acid during lignin degradation. Based on the computer-aided design of PcaQ, we develop a hub metabolite-based autoregulation (HMA) system. This system can control the functional genes expression in response to heterologous LDAs and enhance metabolism efficiency. Multi-module genome integration and directed evolution further fortify the strain's stability and lignin conversion capacities, leading to PHB production titer of 2.38 g/L using heterologous LDAs as sole carbon source. This work not only marks a leap in bioplastic production from lignin components but also provides a strategy to redesign the non-LDAs-degrading microbes for efficient lignin valorization.
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