An orthogonal metabolic framework for one-carbon utilization

代谢工程 生物转化 代谢途径 化学 生物化学 格式化 大肠杆菌 新陈代谢 代谢网络 合成生物学 乙二醇 蛋白质工程 甲醇 生物合成 生物生产 甲酸脱氢酶 有机化学 发酵 生物 生物信息学 催化作用 基因
作者
Alexander Chou,Seung Hwan Lee,Fayin Zhu,James M. Clomburg,Ramón González
出处
期刊:Nature metabolism [Nature Portfolio]
卷期号:3 (10): 1385-1399 被引量:79
标识
DOI:10.1038/s42255-021-00453-0
摘要

Metabolic engineering often entails concurrent engineering of substrate utilization, central metabolism and product synthesis pathways, inevitably creating interdependency with native metabolism. Here we report an alternative approach using synthetic pathways for C1 bioconversion that generate multicarbon products directly from C1 units and hence are orthogonal to the host metabolic network. The engineered pathways are based on formyl-CoA elongation (FORCE) reactions catalysed by the enzyme 2-hydroxyacyl-CoA lyase. We use thermodynamic and stoichiometric analyses to evaluate FORCE pathway variants, including aldose elongation, α-reduction and aldehyde elongation. Promising variants were prototyped in vitro and in vivo using the non-methylotrophic bacterium Escherichia coli. We demonstrate the conversion of formate, formaldehyde and methanol into various products including glycolate, ethylene glycol, ethanol and glycerate. FORCE pathways also have the potential to be integrated with the host metabolism for synthetic methylotrophy by the production of native growth substrates as demonstrated in a two-strain co-culture system. Chou, Lee and Zhu et al. describe a synthetic metabolic pathway for C1 compound utilization using formate, formaldehyde and methanol as substrates.
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