Konstitutiv ekspresjon Av utvalgte gener Fra pentosefosfat og aromatiske veier øker shikimsyreutbyttet i høyglukosebatchkulturer av En Escherichia coli-stamme som mangler PTS og pykF

Konstruksjon av stammer avledet FRA PB12 aroK-aroL – inneholdende et plasmid designet for konstitutiv uttrykk for en syntetisk operon brukt i produksjonen av shikiminsyre

Upubliserte bevis fra vårt laboratorium indikerer at produksjonen av aromatiske forbindelser i den laboratorie-utviklede stammen PB12 kan oppnå høyere nivåer når transkripsjonell induksjon av gener involvert i kanalisering av karbonflux inn I AAA-banen oppstår ved begynnelsen av fermenteringer. Med tanke på denne observasjonen ble det utviklet en ny strategi for å optimalisere produksjonen AV SA i PB12 som bærer inaktive arok-og aroL-gener (Figur 1). Denne strategien inkluderte design og konstruksjon av et plasmid for det sterke og stabile uttrykket av seks nøkkelgener arrangert i form av en syntetisk operon, styrt utelukkende av en Enkelt Trc-promotor. For å redusere metabolsk byrde ble et enkelt plasmid avledet fra pBR327 som bærer par locus for økt plasmid stabilitet benyttet som vektor , etter å ha inkorporert et fragment som inneholdt promotoren, polylinker og transkripsjonelle terminatorer fra pTrc99A (Figur 2).

den første delen av operonen ble konstruert ved sekvensiell forsterkning og ligering av de første 4 kodende sekvensene (aroB, tktA, aroGfbr og aroE) inn i polylinkeren av plasmid Pbrint-Ts Cm, brukt som kloning stillas (se Metoder). Senere ble 4-genkonstruksjonen overført til hybrid plasmid pTrc327par i forbindelse med 2 flere gener (aroD og zwf), noe som førte til en 8kb operon inneholdt i et 12kb plasmid (Figur 2). Det resulterende plasmidet, kalt pTrcAro6, ble omdannet TIL PB12 aroK-aroL-stammen uten lacIq-genet, slik at konstitutiv uttrykk for genene av interesse (Tabell 1). For enkelhet ble den genererte PB12 aroK-aroL-lacI-stammen kalt AR2. Etter at pykf-genet ble inaktivert I AR2, ble den resulterende stammen kalt AR3. Stammer fra AR2 og AR3 som bærer plasmid pTrcAro6 ble kalt HENHOLDSVIS AR26 og AR36 (Tabell 1).

den romlige arrangement av kodende sekvenser som utgjør den syntetiske operon i pTrcAro6, flankert Av Trc promoter og transkripsjons terminatorer, er vist I Figur 2. aroB er det første genet i operonen siden flere bevis indikerer at dets lave uttrykk er et av de begrensende trinnene i produksjonen av aromatiske forbindelser . Plasmid pTrcAro6 bærer også tktA-og aroGfbr-genene, hvis produkter er involvert I e4p-syntese og kondensering med PEP for å danne DAHP, Den første aromatiske forbindelsen (Figur 1). arod og aroE gener ble også inkludert for å fremme en effektiv konvertering AV DHQ TIL SA. I tillegg bærer dette plasmidet zwf-genet, som koder for DET første enzymet I PPP (Figur 1). Beslutningen om å inkludere dette genet var basert på følgende observasjoner: 1) overuttrykket av zwf gjenvunnet vesentlig veksttapet på grunn av plasmid metabolsk belastning I stamme JM101 som vokser på glukose som bare karbonkilde ; 2) det har blitt rapportert at stamme PB12 viser en spesielt lav karbon flux partisjon på glukose 6-fosfat (G6P) node mot PPP (5% av konsumert G6P sammenlignet med 22% i foreldrestammen JM101). Derfor bør en overuttrykk av dette genet øke NADPH-tilgjengeligheten, som kreves i katalytiske mengder av enzymet shikimatdehydrogenase (AroE), og kan lindre potensielle vekstpåvirkninger ved å omdirigere MER G6P mot nukleotid-og aminosyrebiosyntese i stammer avledet FRA PB12 . Forsøkene som ble presentert i denne rapporten, tok imidlertid ikke sikte på å dissekere den spesifikke effekten av et utnyttet gen, men forsøkte i stedet å karakterisere konsekvensene av å uttrykke dem alle som en operon.

for å fremme en effektiv oversettelse av hvert gen ble hver kodingssekvens forsterket ved hjelp av utpekte primere som introduserte en konsensus Shine-Dalgarno-sekvens som ligger 8 bp oppstrøms for oversettelsesstartstedet. Nukleotidsekvensen til den konstruerte operonen presenteres I Tilleggsfil 1.

Vurdering av effektene forårsaket av pykF-inaktivering i stammer som uttrykker aro6-operonen

for å evaluere effektene forårsaket av pykF-inaktivering på produksjonen AV SA, ble ytelsen TIL produksjonsstammer AR26 (pykF+) og AR36 (PYKF-) sammenlignet ved bruk av ristekolber som inneholdt 15 g/L Glc og 5 g/L YE. Som en kontroll ble de samme stammene som inneholdt et tomt pTrc327par plasmid (uten aro6 operon), AR2e Og AR3e, også inkludert.

selv om SA akkumulert i alle tilfeller, som forventet for mutanter i aroK og aroL, nådde stammene som inneholder pTrcAro6 høyere sa-konsentrasjoner enn de med et tomt plasmid (Figur 3b). Videre VAR SA-titer nesten to ganger høyere I AR36 enn I AR26(6,1 g/L vs 3,3 g / L). En reduksjon I Glc-forbruk ble observert I stamme AR26 etter omtrent 18 h kultur, korrelert med høy acetatkonsentrasjon og en arrestasjon i produksjonen AV SA. I kontrast viste stamme AR36 konstant Glc-forbruk og ubetydelige mengder acetat ble produsert (Figur 3c, 3d). Disse resultatene viser at generene som er tilstede i den kunstige operonen, er funksjonelle og fremmer produksjonen AV SA siden begynnelsen av kulturen. Deres konstitutive uttrykk reduserte den spesifikke vekstraten (μ) med 25% i pykF + – bakgrunnen, og økte den marginalt i pykF-varianten, men forårsaket ikke signifikante endringer i maksimal biomasse produsert (Xmax) sammenlignet med stammer med tomt plasmid (Figur 3a). Bemerkelsesverdig, i operon-uttrykke stammer under disse vekstforhold, inaktivering av pykf genet økte produksjonen AV SA, eliminert akkumulering av acetat, og tillatt jevn Glc forbruk.

Oppførsel av stammer AR26, AR36, Og deres tom-plasmid derivater, AR2e ( pykF+) Og AR3e ( pykF -), ved hjelp av shake kolber som inneholder 15 g/L Av Glc og 5 g/L AV YE (a,b,c, d), og 1 L fermentorer som inneholder 100 g / L Av Glc og 15 G / L AV YE (e). A) Vekst; b) SA produksjon; c) Glc forbruk; d) acetatproduksjon; e) Glc-forbruk og sa-produksjon AV AR26 OG AR36 i fermentorer. Feilfelt representerer standardavvik.

for å avgjøre om høyere acetatproduksjon og lavere sa-produksjon I AR26 sammenlignet MED AR36 er en konsekvens av den iboende lave oksygentilgjengeligheten og forsuring av mediet i shake kolbe-kulturer, ble begge stammer dyrket i 1 L batchfermentorer under kontrollerte forhold med pH og OPPLØST oksygenspenning (DOT). Som en tilnærming til å øke sa-titer ble den første konsentrasjonen Av Glc i disse forsøkene økt til 100 g / L, OG YE-konsentrasjonen ble samtidig økt til 15 g / L for å tillate høyere biomassegenerering.

under disse forholdene produserte stamme AR36 42 g / L SA i 60 h, forbruker All Glc og akkumulerer 12 g / L acetat. I kontrast, etter 47 h stamme AR26 produsert maksimalt 13 g / L SA, ikke eksos Glc, og akkumulert 29 g / L av acetat(Figur 3e Og Tabell 2). Uavhengig av de kontrollerte forholdene i fermentorene, hvor pH ble holdt på 7 og PRIKKEN var høyere enn 20% til enhver tid, lignet produksjonsprofilene til begge stammer oppførselen observert i ristekolber, MED AR26 som produserte mer acetat og mindre SA. Selv når Det globale volumetriske Glc-forbruket (Qsglobal), μ og Xmax oppnådd av begge stammer var like, var produktiviteten, utbyttet og titer mer enn todelt høyere I AR36 enn I AR26(Figur 3e og Tabell 2).

det er bemerkelsesverdig at slike store forskjeller i acetat-og sa-produksjon ble observert ved å forstyrre bare ett gen, som demonstrerer fordelene ved kombinert inaktivering AV PTS og pykF ved bruk av et konstitutivt uttrykkssystem i en utviklet e. coli-stamme. For å redegjøre for de observerte forbedringene I SA-produksjonen, foreslår vi at tidlig og konstant uttrykk for enzymer kodet i operonen kunne opprettholde et jevnt forbruk av glykolytiske mellomprodukter gjennom kulturer, og forhindre høye svingninger i deres intracellulære konsentrasjoner. Vi hypoteser at kombinasjonen av denne stabile metabolske tilstanden med redusert flux fra PEP til pyruvat forårsaket av inaktivering av pykf-genet kan øke tilgjengeligheten AV PEP og andre glykolytiske forløpere for SA-produksjon uten å redusere Glc-forbrukshastigheten. Vi erkjenner imidlertid at i fravær av målte intracellulære metabolittkonsentrasjoner, er disse bemerkningene spekulative.

Fermenteringsprofiler AV AR36 i batchkulturer

Med tanke på tidligere resultater ble AR36 valgt for videre karakterisering av sin kinetiske og støkiometriske ytelse i 1 L fermentorer. For å oppnå et slikt formål ble produksjonen AV SA testet med tre forskjellige høysubstratkulturforhold. Vekst, Glc og biprodukter ble målt for hvert tilfelle, noe som igjen tillot en sammenligning av produktiviteter og utbytter.

først ble 50 g/L Glc og 15 G/L AV YE benyttet (Figur 4a). Veksten oppstod i løpet av de første 10 timene, og genererte 6,3 g/L tørrcellevekt med en μ på 0,53 h-1. Under denne tilstanden ble 24 g/L SA produsert i 32 h. Glc-forbruk og sa-produksjon skjedde siden begynnelsen av gjæringen og varte Til glc-utmattelse, selv om den spesifikke Glc-forbrukshastigheten (qs) og spesifikk sa-produktivitet (qp) var høyere i eksponentiell fase (Tabell 3). Det resulterende utbyttet AV SA På Glc (YSA/Glc) var 0,47 mol / mol og den globale volumetriske sa-produktiviteten (Qpglobal) var 0.74 gSA / l * h (Tabell 3). Med hensyn til akkumulering av biprodukter I sa-banen var konsentrasjoner på 2,4 g/L DAHP, 2,1 g/L DHS, 1,4 g/L QA, 0,4 g/L GA og 0,3 g/L DHQ tilstede i supernatanten ved slutten av gjæringen (Figur 5a). Under disse forhold ble nesten ingen acetat produsert i løpet av gjæringen, og nådde en maksimal konsentrasjon på 1,5 g/L etter 32 h (Figur 4a).

Fermenteringsprofil av stamme AR36 dyrket i 1 L bioreaktorer med tre forskjellige substratkonsentrasjoner. a) 50 g / L Av Glc og 15 G / L AV YE; b) 100 g/L Av Glc og 15 G / L AV YE; c) 100 g/L Av Glc og 30 g/L AV YE. Glc: sirkler; sa: firkanter; acetat: åpne trekanter; biomassekonsentrasjon: inverterte trekanter. Feilfelt representerer standardavvik.

Aromatiske biprodukter AV SA-banen oppdaget i 1 L fermentor kulturer av stamme AR36 ved hjelp av tre forskjellige substratkonsentrasjoner. a) 50 g / L Av Glc og 15 G / L AV YE; b) 100 g/L Av Glc og 15 G / L AV YE; c) 100 g/L Av Glc og 30 g/L AV YE. Diamanter: DAHP (3-deoksy-d-arabinoheptulosonat 7-fosfat); firkanter: DHQ (3-dehydrokinsyre); sirkler: DHS (3-dehydroshikiminsyre); trekanter: QA (kininsyre); inverterte trekanter: GA (gallinsyre). Feilfelt representerer standardavvik.

Tatt i Betraktning at 50 g / L Glc ble konsumert helt, ble et andre batcheksperiment initiert med 100 g/L Glc og 15 G / L YE. SOM nevnt i sammenligningen MED AR26 i forrige avsnitt, produserte AR36 dyrket under disse forholdene omtrent 42 g / L SA i 60 h (Figur 4b). 100 g / L glukose og oppnå maksimal konsentrasjon AV SA, produserte stammen 12 g / L acetat. Verdiene som ble oppnådd FOR YSA/ Glc, Qpglobal, Qsglobal, Xmax og μ, var lik de som ble oppnådd med 50 g/L Glc og 15 G / L YE (Tabell 3). Disse forsøkene viser at når du bruker SAMME YE-konsentrasjon, blir to ganger Mengden Glc konsumert i nesten to ganger tiden, noe som indikerer at gjennomsnittlig glukoseforbruk er opprettholdt mellom begge kulturforholdene. Konsentrasjoner av 4,8 g/L DAHP, 2,8 g/L DHS, 3,4 g / L QA, 0.7 g / L AV GA, og 0,9 g/L AV DHQ, var tilstede i supernatanten etter 60 h (Figur 5b). Interessant, da dobling Av glc-konsentrasjonen økte mellomproduktene I AAA-banen på en ganske proporsjonal måte med SA, noe som indikerer at forbruket av 100 g/L Glc ikke tilsynelatende genererte nye flaskehalser i karbonflux. Som et resultat var MENGDEN SA dannet med hensyn til de totale aromatiske forbindelsene produsert nær 80% i begge forsøkene (Figur 6).

Molar prosentandel av hver aromatisk forbindelse produsert I stamme AR36 med hensyn til totalen i batchkulturer som starter med: a) 50 g/L Glc og 15 G/L YE; b) 100 g/L Glc og 15 G/L YE; c) 100 g/L Glc og 30 G/L YE. Beregnede utbytter og molare forhold av de produserte aromatiske forbindelser er vist under hver bar. Sammenligningene ble gjort med konsentrasjonene målt i supernatanten ved slutten av fermenteringene. YSA / Glc = utbytte AV SA Fra Glc; YTAC / Glc = utbytte av totale aromatiske forbindelser Fra Glc; Ymax = maksimalt teoretisk utbytte av aromatiske forbindelser.

effekten AV Å øke YE på sa-produktiviteten ble undersøkt med et tredje sett med eksperimenter, ved bruk av 100 g/L Glc og 30 G / L YE. Selv om biomassen ble doblet ved bruk av to ganger KONSENTRASJONEN AV YE, VAR SA-titer, μ og YSA/Glc svært lik de som ble oppnådd i kulturen med 100 g/L Glc og 15 G / L YE(Figur 4b og Figur 4c). I forbindelse med data hentet fra de to andre forholdene, tyder disse funnene på AT MENGDEN YE primært bestemmer maksimal biomasse som kan oppnås. I tillegg endret en økning I DEN første YE-konsentrasjonen IKKE sa-titeren, og støtter observasjonen at SA hovedsakelig blir produsert fra glukose. Det direkte forholdet MELLOM DEN første YE-konsentrasjonen og den maksimale biomassen som genereres, uavhengig av Den første Glc-konsentrasjonen som testes under disse vekstforholdene, antyder at EN eller flere begrensende næringsstoffer blir levert AV YE. Det ser også ut til at slike næringsstoffer ikke kan syntetiseres Fra Glc, derfor begrenser deres uttømming fra YE veksten lenge før Glc er utmattet. Det forventes at de aromatiske aminosyrene og vitaminene SOM finnes I YE som trengs for Å motvirke AR36 auxotrofi, vil bli begrensende; andre forbindelser i dette komplekse mediet kan imidlertid også spille en rolle i vekstbegrensning over tid.

FOR EN START YE-konsentrasjon på 30 g/L ble totalt 106 g/L Glc og 43 g/L SA konsumert og produsert henholdsvis på omtrent halvparten av tiden enn gjæringen med 15 G / L YE. Med 30 G/L AV YE økte Qsglobal OG Qpglobal todelt, sammenlignet MED fermenteringene MED 15 G / L AV YE, SELV OM SA-titeren forblir uendret(Tabell 3). Siden biomassen også økte todelt, var den beregnede qp og qs lik mellom de tre forsøkene, både i eksponentielle og stasjonære faser, og viste den metabolske robustheten til den konstruerte stammen under de testede forholdene.

i tillegg viste resultatene at en økning I YE-konsentrasjonen ikke økte konsentrasjonen av SA-pathway-mellomprodukter betydelig (Figur 5c). I dette henseende har det blitt anerkjent at tilstedeværelsen av høye mengder banemellomprodukter kan påvirke utvinningen av SA fra gjæringsbuljongen negativt . Denne bekymringen har rettet litt innsats i emnet, noe som fører til testing av kulturforhold, genetisk bakgrunn og bruk av ikke-metaboliserbare glukoseanaloger, som forsøk på å minimere biproduktgenerering .

i disse forsøkene ble en høy andel SA i forhold til biprodukter detektert uten å anvende ytterligere modifikasjon på stammen eller prosessen. Konsentrasjonen av hvert mellomprodukt ble sammenlignet med summen av alle aromatiske mellomprodukter, og deres prosenter ble brukt til å beregne molforholdet MELLOM SA og hvert biprodukt ved slutten av fermenteringene (Figur 6). Forholdet MELLOM SA viste seg å være høyere enn 10 FOR DHS, QA, ELLER DAHP, og høyere enn 40 FOR GA ELLER DHQ for alle substratkonsentrasjoner testet. Bemerkelsesverdig, under alle forhold var de oppnådde SA-utbyttene nær 50% av det teoretiske maksimumet og utbyttene av totale aromatiske forbindelser (TAC) var over 60% av det teoretiske maksimumet, estimert som 0.86 molTAC / molGlc (Se Metoder og Figur 6). Dette gjenspeiler effektiv omdirigering av glukose mot AAA-banen I stamme AR36, selv ved bruk av høyglukosebatchkulturer. Forholdet MELLOM SA og biprodukter, samt de oppnådde sa og TAC-utbyttene, er ganske konstant for alle de evaluerte forholdene, og representerer etter vår kunnskap de høyeste rapporterte verdiene for EN sa-produksjonsfermenteringsprosess. Disse forbedringene kan rettferdiggjøres ved å ta hensyn til at plattformen som er tilstede i den konstruerte stammen, gir et mer homogent uttrykk for de nødvendige enzymer på en effektiv genetisk bakgrunn. Dette, i motsetning til andre uttrykkssystemer der de nødvendige gener uttrykkes fra separate plasmider, under forskjellige promotorer, eller i stammer som ikke er optimalisert for effektiv Bruk av høye Nivåer Av Glc. I tillegg til fordelene med dynamikken i genuttrykk, er det faktum at Iptg ikke er nødvendig for å indusere aro6-operonen en viktig økonomisk fordel for produksjonsprosessen, siden den høye prisen på iptg begrenser bruken i store fermenteringer.

Innsikt i glykolytiske og acetatmetabolismene av stamme AR36 VED RT-qPCR

FOR å få en dypere innsikt i de metabolske endringene indusert av det konstitutive uttrykket Av aro6 syntetisk operon I stamme AR36, ble transkripsjonsnivåer av flere gener målt ved tre forskjellige vekststadier i kulturer med 50 g / L Glc og 15 G / L YE. Som beskrevet i Metoder ble data oppnådd fra tidlig eksponentiell fase (EE), sen eksponentiell fase (LE) og stasjonær fase (ST) normalisert mot verdiene målt fra stamme AR3e VED EE, dyrket under de samme kulturforholdene.

resultatene indikerer at tilstedeværelsen og ekspresjonen av operonen I stamme AR36 øker transkripsjonsnivåene av flere gener som koder for glykolytiske enzymer under ee-og LE-fasene (Figur 1 og figur 7a). Økningen i uttrykk for gener galP og glk er spesielt interessant fordi det har blitt rapportert at deres produkter kontrollerer import og fosforylering av glukose I PB12, foreldrestammen TIL AR36 . Videre er det en signifikant økning i transkripsjonsnivåene av pgi og eno, men ikke pykA. Disse endringene kan oversette til høyere tilgjengelighet AV PEP og fruktose 6-P (som kan omdannes direkte TIL E4P ved plasmid-kodet transketolase), noe som øker utbyttet av aromatiske forbindelser. Vi teoretiserer at den observerte oppreguleringen av glykolytiske gener I stamme AR36 kan være en av konsekvensene for lave nivåer av noen glykolytiske mellomprodukter (glukose 6-fosfat, fruktose 6-fosfat og PEP), forårsaket av det sterke og konstitutive uttrykket av operon-kodede enzymer som forbruker disse metabolittene.

Transkripsjonelle endringer som følge av uttrykket Av aro6 syntetisk operon i stamme AR36. Til sammenligning ble transkripsjonsnivået for hvert gen bestemt på tre forskjellige punkter I vekstkurven AV stamme AR36, vokst med 50 g / L Glc og 15 G / L YE (Se Figur 4a). Alle data ble normalisert mot verdiene oppnådd fra stamme AR3e ved tidlig eksponentiell vekstfase. A) Gener som koder for glykolytiske enzymer; b) gener involvert i acetatassimilering og biosyntese; c) gener som inngår i den syntetiske aro6-operonen (Se Figur 1 og figur 2). Svarte barer: tidlig eksponentiell fase; grå barer: sen eksponentiell fase; hvite barer: stasjonær fase. Feilfelt representerer standardavvik.

på den andre siden ble de transkripsjonelle nivåene av gener som koder for enzymer involvert i acetatbiosyntese (poxB, ackA og pta) ikke modifisert ved tilstedeværelsen av syntetisk operon, mens accp og acs, som koder for enzymer involvert i acetatassimilering, ble sterkt oppregulert I ee-og LE-fasene (Figur 7b). Oppregulering av accp-og acs-gener har også blitt påvist i eksponentiell vekstfase I foreldrestammen PB12 som er i stand til å utnytte Glc og acetat i minimalt medium . Disse funnene korrelerer med de lave nivåene av acetat i den analyserte veksttilstanden (Figur 4a). Det er viktig at transkripsjonsverdiene av disse genene involvert i acetatassimilering var lave I ST-fase (Figur 7b). Hvis dette svaret er representativt for de andre vekstforholdene som brukes, kan det delvis forklare acetatakkumuleringen observert i fermenteringer med 100 g/L Glc, som forbruker høyere mengder Glc under stasjonær fase(Figur 4b og figur 4c). Disse resultatene fremhever accp og acs som potensielle genmål for å kunstig øke uttrykket i sent kulturstadier, og utnytte de forventede egenskapene TIL stamme AR36 for å utnytte Samtidig Glc og acetat, tilstede i sin foreldrestamme PB12 .

genene som er tilstede i den syntetiske operonen viste svært sterke uttrykksnivåer (selv i stasjonær fase), noe som gjenspeiler den konstitutive naturen til promotoren og det høye kopieringsnummeret til plasmidet (Figur 7c). Disse resultatene korrelerer med uavbrutt Glc-forbruk og sa-produksjon observert under hele gjæringen (Figur 4a), noe som tyder på at enzymer kodet av gener i operonen er tilstede gjennom dyrkningstiden. Det kan ses i Figur 7c at transkripsjonsnivåene av aroD og zwf er henholdsvis høyere og lavere enn de andre fire gener i operonen. Denne observasjonen bør tas med forsiktighet fordi de seks genene i operonen blir sammenlignet med de som er tilstede I kromosomet av referansestamme AR3e. Siden verdiene oppnådd for de seks genene ikke er normalisert mellom dem, kan variasjoner mellom deres kromosomale uttrykk i stamme AR3e endre de relative sammenligningene MED stamme AR36. Likevel er de transkriptomiske dataene i samsvar med det høye forholdet MELLOM sa og aromatiske mellomprodukter oppnådd under de testede forholdene, som kan forventes dersom alle gener i operonen ble tilstrekkelig uttrykt. Sammen med kinetiske og støkiometriske data fremhever disse resultatene fordelene ved å bruke en konstitusjonelt uttrykt syntetisk operon som en alternativ strategi for å øke utbyttet AV SA Fra Glc i en utviklet stamme som mangler PTS og pykF.