Combining metabolic and protein engineering of a terpenoid biosynthetic pathway for overproduction and selectivity control

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作者
Effendi Leonard,Parayil Kumaran Ajikumar,Kelly M. Thayer,Wenhai Xiao,Jeffrey D. Mo,Bruce Tidor,Gregory Stephanopoulos,Kristala L. J. Prather
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:107 (31): 13654-13659 被引量:331
标识
DOI:10.1073/pnas.1006138107
摘要

A common strategy of metabolic engineering is to increase the endogenous supply of precursor metabolites to improve pathway productivity. The ability to further enhance heterologous production of a desired compound may be limited by the inherent capacity of the imported pathway to accommodate high precursor supply. Here, we present engineered diterpenoid biosynthesis as a case where insufficient downstream pathway capacity limits high-level levopimaradiene production in Escherichia coli. To increase levopimaradiene synthesis, we amplified the flux toward isopentenyl diphosphate and dimethylallyl diphosphate precursors and reprogrammed the rate-limiting downstream pathway by generating combinatorial mutations in geranylgeranyl diphosphate synthase and levopimaradiene synthase. The mutant library contained pathway variants that not only increased diterpenoid production but also tuned the selectivity toward levopimaradiene. The most productive pathway, combining precursor flux amplification and mutant synthases, conferred approximately 2,600-fold increase in levopimaradiene levels. A maximum titer of approximately 700 mg/L was subsequently obtained by cultivation in a bench-scale bioreactor. The present study highlights the importance of engineering proteins along with pathways as a key strategy in achieving microbial biosynthesis and overproduction of pharmaceutical and chemical products.

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