Utiliser une machinerie de synthèse pour améliorer le rendement en carbone avec l'acétylphosphate comme noyau

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 5286 (2023) Citer cet article

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Dans une usine de cellules microbiennes, la libération de CO2 lors de la production d’acétyl-CoA à partir du pyruvate diminue considérablement l’économie des atomes de carbone. Ici, nous construisons et optimisons une voie de conservation du carbone synthétique appelée cycle de sédoheptulose-1,7-bisphosphatase avec phosphocétolase trifonctionnelle (SCTPK) chez Escherichia coli. Ce cycle repose sur une phosphocétolase généraliste Xfspk et convertit le glucose en quantités stoechiométriques d'acétylphosphate (AcP). De plus, des circuits génétiques répondant positivement ou négativement à l’AcP sont créés. Avec SCTPK, ils constituent un oscillateur génique-métabolique qui régule Xfspk et les enzymes convertissant l'AcP en produits chimiques précieux en réponse au niveau intracellulaire d'AcP de manière autonome, allouant de manière rationnelle le flux métabolique et améliorant l'économie des atomes de carbone du processus de bioconversion. Grâce à cette machinerie de synthèse, le mévalonate est produit avec un rendement supérieur à son rendement théorique natif, et le titre et le rendement les plus élevés en 3-hydroxypropionate via la voie du malonyl-CoA sont obtenus. Cette étude propose une stratégie pour améliorer le rendement en carbone des usines de cellules microbiennes.

Récemment, la bioproduction de produits chimiques et de matériaux souhaités prend de l'ampleur en raison de leur respect de l'environnement et de leur faisabilité pratique. Dans les processus de conception et de construction d’usines de cellules microbiennes, un enjeu clé est d’améliorer les flux vers le produit d’intérêt et de maximiser l’économie des atomes de carbone1. Ceci est très important, en particulier dans le cadre de l’atteinte mondiale du pic carbone et de la neutralité carbone. Le cœur de tout réseau métabolique chez les micro-organismes est une épine dorsale à haut flux, généralement appelée métabolisme central2, responsable de la transformation des substrats d'entrée primaires en énergie et en une série d'éléments constitutifs pour la production de polymères cellulaires et considéré comme l'invariable système d'exploitation de la cellule3. Par conséquent, si nous voulons construire une machinerie de synthèse qui transforme un organisme vivant en une bio-usine véritablement productive, outre l’optimisation de la voie de biosynthèse en tant qu’unité autonome, une approche de bio-ingénierie réussie doit également plier le réseau métabolique endogène de l’hôte, en particulier son métabolisme central. , pour soutenir le processus de bioproduction4. Chez les micro-organismes, l'acétylcoenzyme A (acétyl-CoA) est non seulement un métabolite fondamental dans les voies métaboliques centrales, mais également un précurseur de nombreux produits industriels pertinents5,6,7. Ainsi, la réécriture du métabolisme central du micro-organisme pour fournir suffisamment d'acétyl-CoA avec une économie d'atomes de carbone élevée bénéficiera à la bioproduction d'une grande variété de produits chimiques et de matériaux.

Pour améliorer le rendement en acétyl-CoA, une stratégie typique consiste à éliminer le flux de carbone vers des voies concurrentes et à surexprimer une enzyme importante pour assurer une production suffisante d'acétyl-CoA8,9. Cette approche est plus directe et plus simple dans sa conception, mais n’augmente pas réellement le rendement théorique en carbone du produit chimique cible. Les micro-organismes naturels convertissent généralement le glucose en acétyl-CoA par la voie de la glycolyse ainsi que par la décarboxylation du pyruvate par la pyruvate déshydrogénase, dans laquelle 2 moles d'acétyl-CoA et 2 moles de CO2 sont générées à partir de chaque mole de glucose10. Cette libération de CO2 entraîne une diminution significative de l’économie atomique de la voie de biosynthèse chimique ciblée, représentant la perte majeure de carbone dans le métabolisme microbien du carbone et le bioraffinage11. Pour résoudre ce problème, une voie de glycolyse synthétique non oxydante (NOG) a été développée (Figure 1 supplémentaire), convertissant le glucose en quantités stoechiométriques d'acétylphosphate (AcP), qui est ensuite catalysée par la phosphate acétyltransférase en acétyl-CoA12. Cette configuration NOG repose sur le réarrangement du carbone et la phosphocétolase qui catalyse la conversion irréversible du fructose-6-phosphate (F6P) ou du xylulose-5-phosphate (X5P) en AcP et érythrose-4-phosphate (E4P) ou glycéraldéhyde-3-phosphate ( GAP), respectivement.