Metabolic engineering of cofactor flavin adenine dinucleotide (FAD) synthesis and regeneration in Escherichia coli for production of α‐keto acids

辅因子 黄素腺嘌呤二核苷酸 生物化学 黄蛋白 甲酸脱氢酶 代谢工程 NAD+激酶 大肠杆菌 氧化酶试验 黄素组 脱氢酶 单加氧酶 醇脱氢酶 生物合成 生物催化 化学 基因 催化作用 细胞色素P450 离子液体
作者
Ying Hou,Gazi S. Hossain,Jianghua Li,Hyun‐Dong Shin,Guocheng Du,Jian Chen,Long Liu
出处
期刊:Biotechnology and Bioengineering [Wiley]
卷期号:114 (9): 1928-1936 被引量:39
标识
DOI:10.1002/bit.26336
摘要

ABSTRACT Cofactor flavin adenine dinucleotide (FAD) plays a vital role in many FAD‐dependent enzymatic reactions; therefore, how to efficiently accelerate FAD synthesis and regeneration is an important topic in biocatalysis and metabolic engineering. In this study, a system involving the synthesis pathway and regeneration of FAD was engineered in Escherichia coli to improve α‐keto acid production—from the corresponding l‐amino acids—catalyzed by FAD‐dependent l‐amino acid deaminase (l‐AAD). First, key genes, ribH , ribC , and ribF , were overexpressed and fine‐tuned for FAD synthesis. In the resulting E . coli strain PHCF7, strong overexpression of pma , ribC , and ribF and moderate overexpression of ribH yielded a 90% increase in phenylpyruvic acid (PPA) titer: 19.4 ± 1.1 g · L −1 . Next, formate dehydrogenase (FDH) and NADH oxidase (NOX) were overexpressed to strengthen the regeneration rate of cofactors FADH 2 /FAD using FDH for FADH 2 /FAD regeneration and NOX for NAD + /NADH regeneration. The resulting E. coli strain PHCF7‐FDH‐NOX yielded the highest PPA production: 31.4 ± 1.1 g · L −1 . Finally, this whole‐cell system was adapted to production of other α‐keto acids including α‐ketoglutaric acid, α‐ketoisocaproate, and keto‐γ‐methylthiobutyric acid to demonstrate the broad utility of strengthening of FAD synthesis and FADH 2 /FAD regeneration for production of α‐keto acids. Notably, the strategy reported herein may be generally applicable to other flavin‐dependent biocatalysis reactions and metabolic pathway optimizations. Biotechnol. Bioeng. 2017;114: 1928–1936. © 2017 Wiley Periodicals, Inc.
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