Usando uma maquinaria sintética para melhorar o rendimento de carbono com acetilfosfato como núcleo

Nature Communications volume 14, número do artigo: 5286 (2023) Citar este artigo

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Na fábrica de células microbianas, a liberação de CO2 durante a produção de acetil-CoA a partir do piruvato diminui significativamente a economia do átomo de carbono. Aqui, construímos e otimizamos uma via sintética de conservação de carbono denominada Ciclo Sedoheptulose-1,7-bifosfatase com Fosfocetolase Trifuncional (SCTPK) em Escherichia coli. Este ciclo depende de uma fosfocetolase generalista Xfspk e converte a glicose nas quantidades estequiométricas de acetilfosfato (AcP). Além disso, são criados circuitos genéticos que respondem ao AcP positiva ou negativamente. Juntamente com o SCTPK, eles constituem um oscilador gene-metabólico que regula o Xfspk e as enzimas que convertem o AcP em produtos químicos valiosos em resposta ao nível intracelular de AcP de forma autônoma, alocando o fluxo metabólico de forma racional e melhorando a economia do átomo de carbono do processo de bioconversão. Utilizando esta maquinaria sintética, o mevalonato é produzido com um rendimento superior ao seu rendimento teórico nativo, e são alcançados o título e o rendimento mais elevados de 3-hidroxipropionato através da via do malonil-CoA. Este estudo fornece uma estratégia para melhorar o rendimento de carbono das fábricas de células microbianas.

Recentemente, a bioprodução de produtos químicos e materiais desejados está ganhando impulso devido à sua compatibilidade ambiental e viabilidade prática. Nos processos de projeto e construção de fábricas de células microbianas, uma questão chave é melhorar os fluxos em direção ao produto de interesse e maximizar a economia do átomo de carbono . Isto é muito importante, especialmente no contexto da consecução global do pico de carbono e da neutralidade de carbono. O núcleo de qualquer rede metabólica em microorganismos é uma espinha dorsal de alto fluxo, geralmente referida como metabolismo central2, responsável pela transformação de substratos primários em energia e uma série de blocos de construção para a produção de polímeros celulares e considerada como o invariável sistema operacional da célula3. Portanto, se quisermos construir uma maquinaria sintética que converta um organismo vivo numa biofábrica verdadeiramente produtiva, além de optimizar a via biossintética como unidade autónoma, uma abordagem de bioengenharia bem sucedida também deve dobrar a rede metabólica endógena do hospedeiro, especialmente o seu metabolismo central. , para apoiar o processo de bioprodução4. Nos microrganismos, a acetil coenzima A (acetil-CoA) não é apenas um metabólito fundamental nas vias metabólicas centrais, mas também um precursor de numerosos produtos industrialmente relevantes5,6,7. Assim, reescrever o metabolismo central do microrganismo para fornecer bastante acetil-CoA com alta economia de átomos de carbono beneficiará a bioprodução de uma ampla variedade de produtos químicos e materiais.

Para melhorar o rendimento de acetil-CoA, uma estratégia típica é a eliminação do fluxo de carbono para vias concorrentes e a superexpressão de enzima importante para garantir a produção suficiente de acetil-CoA8,9. Esta abordagem é mais direta e simples no design, mas na verdade não aumenta o rendimento teórico de carbono do produto químico alvo. Microrganismos naturais geralmente convertem glicose em acetil-CoA através da via da glicólise juntamente com a descarboxilação do piruvato pela piruvato desidrogenase, na qual 2 mol de acetil-CoA e 2 mol de CO2 são gerados a partir de cada mol de glicose10. Esta liberação de CO causa uma diminuição significativa da economia atômica da via biossintética química direcionada, representando a maior perda de carbono no metabolismo microbiano do carbono e no biorrefinamento . Para resolver este problema, foi desenvolvida uma rota sintética de glicólise não oxidativa (NOG) (Figura 1 suplementar), convertendo a glicose nas quantidades estequiométricas de acetilfosfato (AcP), que é posteriormente catalisada pela fosfato acetiltransferase em acetil-CoA12. Esta configuração de NOG depende do rearranjo de carbono e da fosfocetolase que catalisa a conversão irreversível de frutose-6-fosfato (F6P) ou xilulose-5-fosfato (X5P) em AcP e eritrose-4-fosfato (E4P) ou gliceraldeído-3-fosfato ( GAP), respectivamente.