Construction and modular implementation of the THETA cycle for synthetic CO2 fixation

固碳 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 柠檬酸循环 丙酮酸羧化酶 模块化设计 生物化学 合成生物学 固定(群体遗传学) 生物 三羧酸 化学 计算生物学 计算机科学 光合作用 基因 操作系统
作者
Shanshan Luo,Christoph Diehl,Hai He,Youngjae Bae,Melanie Klose,Peter Claus,Niña Socorro Cortina,Celia Alvarez Fernandez,Helena Schulz-Mirbach,Richard P. McLean,Adán Andrés Ramírez Rojas,Daniel Schindler,Nicole Paczia,Tobias J. Erb
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:6 (12): 1228-1240 被引量:13
标识
DOI:10.1038/s41929-023-01079-z
摘要

Abstract Synthetic biology offers the opportunity to build solutions for improved capture and conversion of carbon dioxide (CO 2 ) that outcompete those evolved by nature. Here we demonstrate the design and construction of a new-to-nature CO 2 -fixation pathway, the reductive tricarboxylic acid branch/4-hydroxybutyryl-CoA/ethylmalonyl-CoA/acetyl-CoA (THETA) cycle. The THETA cycle encompasses 17 enzymes from 9 organisms and revolves around two of the most efficient CO 2 -fixing enzymes described in nature, crotonyl-CoA carboxylase/reductase and phosphoenolpyruvate carboxylase. Here using rational and machine learning-guided optimization approaches, we improved the yield of the cycle by two orders of magnitude and demonstrated the formation of different biochemical building blocks directly from CO 2 . Furthermore, we separated the THETA cycle into three modules that we successfully implemented in vivo by exploiting the natural plasticity of Escherichia coli metabolism. Growth-based selection and/or 13 C-labelling confirmed the activity of three different modules, demonstrating the first step towards realizing highly orthogonal and complex CO 2 -fixation pathways in the background of living cells.
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