異化分業は、工学的共培養システムにおけるグルコース-キシロース混合物からのD-乳酸およびコハク酸の生産を向上させる

Catabolic Division of Labor Enhances Production of D-Lactate and Succinate From Glucose-Xylose Mixtures in Engineered Co-culture Systems.

• Andrew D Flores
• Hyun G Choi
• Rodrigo Martinez
• Moses Onyeabor
• E Zeynep Ayla
• Amanda Godar
• Michael Machas
• David R Nielsen
• Xuan Wang

抄録

リグノセルロース系糖類の生物学的アップグレードは、バイオプラスチックへの有望で持続可能なルートを示していますが、多様で可変性のある原料組成（例えば、セルロース画分からのグルコースとヘミセルロース画分からのキシロース）は、いくつかの複雑な課題を提示しています。具体的には、糖類混合物は、炭素異化抑制のために不完全に代謝されることが多く、組成のばらつきは共利用率の最適化をさらに複雑にしています。合成微生物群集は、分業化、代謝多様性の向上、モジュール性など、いくつかのユニークな特徴を持つことから、持続的なバイオコンバージョンの課題に対処できる可能性を秘めた有望なプラットフォームである。この研究では、2つのユニークで異化的に直交する共培養系を開発し、グルコース-キシロース混合物（100 g Lの総糖、質量比2:1）からD-乳酸とコハク酸（2つのバイオプラスチックモノマー）の生産を強化するために使用しました。いずれの場合も、グルコース専門株は、（キシロース特異的転写活性化因子XylRをコードする）を欠失させてキシロースの異化を無効にすることによって操作され、一方、キシロース専門株は、グルコース輸送およびリン酸化システムに関与するいくつかの重要なコンポーネント（すなわち、 , , , ）を欠失させることによって操作され、一方、特異的な変異を導入することによってキシロースの利用を増加させることによって操作された。相補的な糖質専門家間の初期集団比率の最適化は、各系統のペアのための重要な設計変数であることが証明されました。いずれの場合も、ミネラル塩培地での単純なバッチ発酵により、全糖の利用率は約91%に達した。高い生成物力価（D-乳酸88 g L、コハク酸84 g L）および最大生産性（D-乳酸2.5 g L h、コハク酸1.3 g L h）および生成物収量（D-乳酸0.97 g g-総糖、コハク酸0.95 g-総糖）も達成されました。

Although biological upgrading of lignocellulosic sugars represents a promising and sustainable route to bioplastics, diverse and variable feedstock compositions (e.g., glucose from the cellulose fraction and xylose from the hemicellulose fraction) present several complex challenges. Specifically, sugar mixtures are often incompletely metabolized due to carbon catabolite repression while composition variability further complicates the optimization of co-utilization rates. Benefiting from several unique features including division of labor, increased metabolic diversity, and modularity, synthetic microbial communities represent a promising platform with the potential to address persistent bioconversion challenges. In this work, two unique and catabolically orthogonal co-cultures systems were developed and used to enhance the production of D-lactate and succinate (two bioplastic monomers) from glucose-xylose mixtures (100 g L total sugars, 2:1 by mass). In both cases, glucose specialist strains were engineered by deleting (encoding the xylose-specific transcriptional activator, XylR) to disable xylose catabolism, whereas xylose specialist strains were engineered by deleting several key components involved with glucose transport and phosphorylation systems (i.e., , , , ) while also increasing xylose utilization by introducing specific mutations. Optimization of initial population ratios between complementary sugar specialists proved a key design variable for each pair of strains. In both cases, ∼91% utilization of total sugars was achieved in mineral salt media by simple batch fermentation. High product titer (88 g L D-lactate, 84 g L succinate) and maximum productivity (2.5 g L h D-lactate, 1.3 g L h succinate) and product yield (0.97 g g-total sugar for D-lactate, 0.95 g g-total sugar for succinate) were also achieved.

Copyright © 2020 Flores, Choi, Martinez, Onyeabor, Ayla, Godar, Machas, Nielsen and Wang.