Utilizzo di un macchinario sintetico per migliorare la resa di carbonio con acetilfosfato come nucleo

Nature Communications volume 14, numero articolo: 5286 (2023) Citare questo articolo

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Nella fabbrica di cellule microbiche, il rilascio di CO2 durante la produzione di acetil-CoA dal piruvato riduce significativamente l’economia dell’atomo di carbonio. Qui, costruiamo e ottimizziamo un percorso sintetico di conservazione del carbonio denominato ciclo della sedoeptulosio-1,7-bisfosfatasi con fosfochetolasi trifunzionale (SCTPK) in Escherichia coli. Questo ciclo si basa su una fosfochetolasi generalista Xfspk e converte il glucosio nelle quantità stechiometriche di acetilfosfato (AcP). Inoltre, vengono creati circuiti genetici che rispondono positivamente o negativamente all'AcP. Insieme a SCTPK, costituiscono un oscillatore gene-metabolico che regola Xfspk e gli enzimi che convertono AcP in sostanze chimiche preziose in risposta al livello di AcP intracellulare in modo autonomo, allocando razionalmente il flusso metabolico e migliorando l'economia dell'atomo di carbonio del processo di bioconversione. Utilizzando questo macchinario sintetico, il mevalonato viene prodotto con una resa superiore alla sua resa teorica nativa e si ottengono il titolo e la resa più elevati di 3-idrossipropionato tramite la via del malonil-CoA. Questo studio fornisce una strategia per migliorare la resa di carbonio delle fabbriche di cellule microbiche.

Recentemente, la bioproduzione delle sostanze chimiche e dei materiali desiderati sta prendendo slancio grazie alla loro compatibilità ambientale e fattibilità pratica. Nei processi di progettazione e costruzione delle fabbriche di cellule microbiche, una questione chiave è migliorare i flussi verso il prodotto di interesse e massimizzare l'economia dell'atomo di carbonio1. Ciò è molto importante soprattutto in vista del raggiungimento globale del picco del carbonio e della neutralità del carbonio. Il nucleo di qualsiasi rete metabolica nei microrganismi è una spina dorsale ad alto flusso, generalmente denominata metabolismo centrale2, responsabile della trasformazione dei substrati di input primari in energia e di una serie di elementi costitutivi per la produzione di polimeri cellulari e considerata come l'invariabile sistema operativo della cellula3. Pertanto, se vogliamo costruire un macchinario sintetico che converta un organismo vivente in una biofabbrica veramente produttiva, oltre a ottimizzare il percorso biosintetico come unità a sé stante, un approccio bioingegneristico di successo deve anche piegare la rete metabolica endogena dell’ospite, in particolare il suo metabolismo centrale. , per sostenere il processo di bioproduzione4. Nei microorganismi, l'acetil coenzima A (acetil-CoA) non è solo un metabolita fondamentale nelle vie metaboliche centrali, ma anche un precursore di numerosi prodotti rilevanti a livello industriale5,6,7. Pertanto, riscrivere il metabolismo centrale del microrganismo per fornire abbondante acetil-CoA con un elevato risparmio di atomi di carbonio andrà a beneficio della bioproduzione di un’ampia varietà di sostanze chimiche e materiali.

Per migliorare la resa di acetil-CoA, una strategia tipica è l'eliminazione del flusso di carbonio verso percorsi concorrenti e la sovraespressione di importanti enzimi per garantire una produzione sufficiente di acetil-CoA8,9. Questo approccio è più diretto e semplice nella progettazione, ma in realtà non aumenta la resa teorica di carbonio della sostanza chimica target. I microrganismi naturali solitamente convertono il glucosio in acetil-CoA attraverso la via della glicolisi insieme alla decarbossilazione del piruvato da parte della piruvato deidrogenasi, in cui 2 mol di acetil-CoA e 2 mol di CO2 vengono generate da ciascuna mole di glucosio10. Questo rilascio di CO2 provoca una significativa diminuzione dell’economia atomica della via biosintetica chimica mirata, che rappresenta la principale perdita di carbonio nel metabolismo microbico del carbonio e nella bioraffinazione11. Per risolvere questo problema, è stata sviluppata una via sintetica della glicolisi non ossidativa (NOG) (Figura 1 supplementare), convertendo il glucosio nelle quantità stechiometriche di acetilfosfato (AcP), che viene ulteriormente catalizzato dalla fosfato acetiltransferasi in acetil-CoA12. Questa configurazione NOG si basa sul riarrangiamento del carbonio e sulla fosfochetolasi che catalizza la conversione irreversibile del fruttosio-6-fosfato (F6P) o dello xilulosio-5-fosfato (X5P) in AcP ed eritrosio-4-fosfato (E4P) o gliceraldeide-3-fosfato ( GAP), rispettivamente.