Direct carbon capture for production of high-performance biodegradable plastic by cyanobacterial cell factory

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作者
Chunlin Tan,Fei Tao,Ping Xu
标识
DOI:10.1101/2021.10.04.462501
摘要

Abstract Plastic pollution has become one of the most pressing environmental issues today, leading to an urgent need to develop biodegradable plastics 1-3 . Polylactic acid (PLA) is one of the most promising biodegradable materials because of its potential applications in disposable packaging, agriculture, medicine, and printing filaments for 3D printers 4-6 . However, current biosynthesis of PLA entirely uses edible biomass as feedstock, which leads to competition for resources between material production and food supply 7,8 . Meanwhile, excessive emission of CO 2 that is the most abundant carbon source aggravates global warming, and climate instability. Herein, we first developed a cyanobacterial cell factory for the de novo biosynthesis of PLA directly from CO 2 , using a combinational strategy of metabolic engineering and high-density cultivation (HDC). Firstly, the heterologous pathway for PLA production, which involves engineered D-lactic dehydrogenase (LDH), propionate CoA-transferase (PCT), and polyhydroxyalkanoate (PHA) synthase, was introduced into Synechococcus elongatus PCC7942. Subsequently, different metabolic engineering strategies, including pathway debottlenecking, acetyl-CoA self-circulation, and carbon-flux redirection, were systematically applied, resulting in approximately 19-fold increase to 15 mg/g dry cell weight (DCW) PLA compared to the control. In addition, HDC increased cell density by 10-fold. Finally, the PLA titer of 108 mg/L (corresponding to 23 mg/g DCW) was obtained, approximately 270 times higher than that obtained from the initially constructed strain. Moreover, molecular weight (M w , 62.5 kDa; M n , 32.8 kDa) of PLA produced by this strategy was among the highest reported levels. This study sheds a bright light on the prospects of plastic production from CO 2 using cyanobacterial cell factories.

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