Construction of a synthetic metabolic pathway for biosynthesis of the non-natural methionine precursor 2,4-dihydroxybutyric acid

Autor: Isabelle André, Luce Lozano-Huguet, Christopher M. Topham, Audrey Baylac, Magali Remaud-Simeon, Nathalie Tarrat, Nelly Martineau, Clément Auriol, Hélène Cordier, Marc Maestracci, Marion Stodel, Romain Irague, Clémentine Dressaire, Jean Marie François, Thomas Walther, Yannick Malbert, Robert Huet
Přispěvatelé: Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), Toulouse White Biotechnology (TWB), Surfaces, Interfaces et Nano-Objets (CEMES-SINanO), Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES), Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599), Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Adisseo France SAS, ANR-10-BTBR-05-01, Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), ANR-10-BTBR-0005,SYNTHACS,Biologie Synthétique pour la synthèse de molécules chimiques à haute valeur ajoutée à partir de ressources carbonées renouvelables(2010), Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Francois, Jean-Marie
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2017
Předmět:
0301 basic medicine
Models
Molecular
voie métabolique
General Physics and Astronomy
Reductase
synthon
chemistry.chemical_compound
Methionine
Malate Dehydrogenase
acide butyrique
Butylene Glycols
isobutyric acid
chemistry.chemical_classification
Multidisciplinary
Aldehyde Oxidoreductases
Butyrates
Process Engineering
Biochemistry
Metabolic Engineering
plasmide
Thermodynamics
Synthetic Biology
animal feeding
escherichia coli
Metabolic Networks and Pathways
aspartate kinase
aspartyl kinase
alimentation animale
Science
Biology
General Biochemistry
Genetics and Molecular Biology
Article
Metabolic engineering
03 medical and health sciences
Biosynthesis
plasmid
Aspartate kinase
[SPI.GPROC]Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering
Génie des procédés
malate
Phosphotransferases
Rational design
General Chemistry
metabolic pathway
Metabolic pathway
030104 developmental biology
Enzyme
Glucose
chemistry
Mutagenesis
Site-Directed
Zdroj: Nature Communications
Nature Communications, Nature Publishing Group, 2017, 8 (1), pp.15828. ⟨10.1038/ncomms15828⟩
Nature Communications, 2017, 8 (1), pp.15828. ⟨10.1038/ncomms15828⟩
Nature Communications, Vol 8, Iss 1, Pp 1-12 (2017)
Nature Communications (8), 12 p.. (2017)
ISSN: 2041-1723
Popis: 2,4-Dihydroxybutyric acid (DHB) is a molecule with considerable potential as a versatile chemical synthon. Notably, it may serve as a precursor for chemical synthesis of the methionine analogue 2-hydroxy-4-(methylthio)butyrate, thus, targeting a considerable market in animal nutrition. However, no natural metabolic pathway exists for the biosynthesis of DHB. Here we have therefore conceived a three-step metabolic pathway for the synthesis of DHB starting from the natural metabolite malate. The pathway employs previously unreported malate kinase, malate semialdehyde dehydrogenase and malate semialdehyde reductase activities. The kinase and semialdehyde dehydrogenase activities were obtained by rational design based on structural and mechanistic knowledge of candidate enzymes acting on sterically cognate substrates. Malate semialdehyde reductase activity was identified from an initial screening of several natural enzymes, and was further improved by rational design. The pathway was expressed in a minimally engineered Escherichia coli strain and produces 1.8 g l−1 DHB with a molar yield of 0.15.
2,4-Dihydroxybutyric acid has potential to be a precursor to a range of industrially important products, however a natural metabolic pathway for its synthesis does not exist. Here the authors rationally design a synthetic pathway in E. coli by engineering enzymes from malate metabolism.
Databáze: OpenAIRE
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