Combining Precursor-Directed Engineering with Modular Designing: An Effective Strategy for De Novo Biosynthesis of l-DOPA in Bacillus licheniformis

四氢生物蝶呤 地衣芽孢杆菌 生物化学 代谢工程 辅因子 化学 生物合成 GTP环水解酶I 酪氨酸羟化酶 生物 细菌 枯草芽孢杆菌 遗传学
作者
Yinbiao Xu,Youran Li,Zhiyong Wu,Yiming Lu,Guanjun Tao,Liang Zhang,Zhongyang Ding,Guiyang Shi
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:11 (2): 700-712 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acssynbio.1c00411
摘要

3-Hydroxy-l-tyrosine (l-DOPA) is a promising drug for treating Parkinson's disease. Tyrosine hydroxylase catalyzes the microbial synthesis of l-DOPA, which is hindered by the efficiency of catalysis, the supply of cofactor tetrahydrobiopterin, and the regulation of the pathway. In this study, the modular engineering strategy in Bacillus licheniformis was identified to effectively enhance l-DOPA production. First, the catalytic efficiency of biocatalyst tyrosine hydroxylase from Streptosporangium roseum DSM 43021 (SrTH) was improved by 20.3% by strengthening its affinity toward tetrahydrobiopterin. Second, the tetrahydrobiopterin supply pool was increased by bottleneck gene expression, oxygen transport facilitation, budC (encoding meso-2,3-butanediol dehydrogenase) deletion, and tetrahydrobiopterin regeneration using a native YfkO nitroreductase. The strain 45ABvC successfully produced tetrahydrobiopterin, which was detected as pterin (112.48 mg/L), the oxidation product of tetrahydrobiopterin. Finally, the yield of precursor l-tyrosine reached 148 mg/gDCW, with an increase of 71%, with the deletion of a novel spliced transcript 41sRNA associated with the regulation of the shikimate pathway. The engineered strain 45ABvCS::PD produced 167.14 mg/L (2.41 times of wild-type strain) and 1290 mg/L l-DOPA in a shake flask and a 15 L bioreactor, respectively, using a fermentation strategy on a mixture of carbon sources. This study holds great potential for constructing a microbial source of l-DOPA and its high-value downstream pharmaceuticals.
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