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Modular Pathway Engineering of Diterpenoid Synthases and the Mevalonic Acid Pathway for Miltiradiene Production

甲戊酸途径 甲戊酸 化学 代谢工程 萜类 生物化学 生物合成 法尼基二磷酸合酶 ATP合酶 天然产物 二萜 代谢途径 萜烯 酵母
作者
Yongjin J. Zhou,Wei Gao,Qi-Xian Rong,Guojie Jin,Huiying Chu,Wujun Liu,Wei Yang,Zhiwei Zhu,Guohui Li,Guofeng Zhu,Luqi Huang,Zongbao K. Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:134 (6): 3234-3241 被引量:351
标识
DOI:10.1021/ja2114486
摘要

Microbial production can be advantageous over the extraction of phytoterpenoids from natural plant sources, but it remains challenging to rationally and rapidly access efficient pathway variants. Previous engineering attempts mainly focused on the mevalonic acid (MVA) or methyl-d-erythritol phosphate (MEP) pathways responsible for the generation of precursors for terpenoids biosynthesis, and potential interactions between diterpenoids synthases were unexplored. Miltiradiene, the product of the stepwise conversion of (E,E,E)-geranylgeranyl diphosphate (GGPP) catalyzed by diterpene synthases SmCPS and SmKSL, has recently been identified as the precursor to tanshionones, a group of abietane-type norditerpenoids rich in the Chinese medicinal herb Salvia miltiorrhiza. Here, we present the modular pathway engineering (MOPE) strategy and its application for rapid assembling synthetic miltiradiene pathways in the yeast Saccharomyces cerevisiae. We predicted and analyzed the molecular interactions between SmCPS and SmKSL, and engineered their active sites into close proximity for enhanced metabolic flux channeling to miltiradiene biosynthesis by constructing protein fusions. We show that the fusion of SmCPS and SmKSL, as well as the fusion of BTS1 (GGPP synthase) and ERG20 (farnesyl diphosphate synthase), led to significantly improved miltiradiene production and reduced byproduct accumulation. The MOPE strategy facilitated a comprehensive evaluation of pathway variants involving multiple genes, and, as a result, our best pathway with the diploid strain YJ2X reached miltiradiene titer of 365 mg/L in a 15-L bioreactor culture. These results suggest that terpenoids synthases and the precursor supplying enzymes should be engineered systematically to enable an efficient microbial production of phytoterpenoids.
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