Enhancement of β-Caryophyllene Biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae via Synergistic Evolution of β-Caryophyllene Synthase and Engineering the Chassis

生物化学 酿酒酵母 突变体 酶动力学 化学 代谢工程 酵母 基因 活动站点
作者
Surui Lu,Hong Deng,Chenyao Zhou,Zhengda Du,Xuena Guo,Yanfei Cheng,Xiuping He
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:12 (6): 1696-1707 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acssynbio.3c00024
摘要

β-Caryophyllene is a plant-derived bicyclic sesquiterpene with multiple biological functions. β-Caryophyllene production by engineered Saccharomyces cerevisiae represents a promising technological route. However, the low catalytic activity of β-caryophyllene synthase (CPS) is one of the main restrictive factors for β-caryophyllene production. Here, directed evolution of the Artemisia annua CPS was performed, and variants of CPS enhancing the β-caryophyllene biosynthesis in S. cerevisiae were obtained, in which an E353D mutant enzyme presented large improvements in Vmax and Kcat. The Kcat/Km of the E353D mutant was 35.5% higher than that of wild-type CPS. Moreover, the E353D variant exhibited higher catalytic activity in much wider pH and temperature ranges. Thus, both the higher catalytic activity and the robustness of the E353D variant contribute to the 73.3% increase in β-caryophyllene production. Furthermore, the S. cerevisiae chassis was engineered by overexpressing genes related to β-alanine metabolism and MVA pathway to enhance the synthesis of the precursor, and ATP-binding cassette transporter gene variant STE6T1025N to improve the transmembrane transport of β-caryophyllene. The combined engineering of CPS and chassis resulted in 70.45 mg/L of β-caryophyllene after 48 h of cultivation in a test tube, which was 2.93-fold of that of the original strain. Finally, a β-caryophyllene yield of 594.05 mg/L was obtained by fed-batch fermentation, indicating the potential of β-caryophyllene production by yeast.
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