Modular bioengineering of whole-cell catalysis for sialo-oligosaccharide production: coordinated co-expression of CMP-sialic acid synthetase and sialyltransferase

唾液酸转移酶 低聚糖 化学 生物化学 唾液酸 催化作用 生物合成
作者
Sabine Schelch,Manuel Eibinger,Jasmin Zuson,Jürgen Kuballa,Bernd Nidetzky
出处
期刊:Microbial Cell Factories [Springer Nature]
卷期号:22 (1) 被引量:2
标识
DOI:10.1186/s12934-023-02249-1
摘要

In whole-cell bio-catalysis, the biosystems engineering paradigm shifts from the global reconfiguration of cellular metabolism as in fermentation to a more focused, and more easily modularized, optimization of comparably short cascade reactions. Human milk oligosaccharides (HMO) constitute an important field for the synthetic application of cascade bio-catalysis in resting or non-living cells. Here, we analyzed the central catalytic module for synthesis of HMO-type sialo-oligosaccharides, comprised of CMP-sialic acid synthetase (CSS) and sialyltransferase (SiaT), with the specific aim of coordinated enzyme co-expression in E. coli for reaction flux optimization in whole cell conversions producing 3'-sialyllactose (3SL).Difference in enzyme specific activity (CSS from Neisseria meningitidis: 36 U/mg; α2,3-SiaT from Pasteurella dagmatis: 5.7 U/mg) was compensated by differential protein co-expression from tailored plasmid constructs, giving balance between the individual activities at a high level of both (α2,3-SiaT: 9.4 × 102 U/g cell dry mass; CSS: 3.4 × 102 U/g cell dry mass). Finally, plasmid selection was guided by kinetic modeling of the coupled CSS-SiaT reactions in combination with comprehensive analytical tracking of the multistep conversion (lactose, N-acetyl neuraminic acid (Neu5Ac), cytidine 5'-triphosphate; each up to 100 mM). The half-life of SiaT in permeabilized cells (≤ 4 h) determined the efficiency of 3SL production at 37 °C. Reaction at 25 °C gave 3SL (40 ± 4 g/L) in ∼ 70% yield within 3 h, reaching a cell dry mass-specific productivity of ∼ 3 g/(g h) and avoiding intermediary CMP-Neu5Ac accumulation.Collectively, balanced co-expression of CSS and SiaT yields an efficient (high-flux) sialylation module to support flexible development of E. coli whole-cell catalysts for sialo-oligosaccharide production.

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