Saccharomyces cerevisiaeにおけるゲラニル二リン酸合成調節によるモノテルペンゲラニオール産生の改善

モノテルペンは、食品、化粧品、医学産業に幅広い用途があり、最近高度なバイオ燃料として注目を集めています。ただし、セスキテルペンと比較して、サッカロミセスセレビシア科ではモノテルペン生産が依然として遅れています。この研究では、貴重な非環式モノテルペンアルコールであるゲラニオールがS. cerevisiaeで合成されました。S. cerevisiaeの3つのゲラニオール合成酵素を評価しました。そして、色素体標的ペプチドを欠いているゲラニオールシンターゼヴァレリアナオフィシナリス（TVOGES）が最高のゲラニオール産生をもたらしました。ゲラニオールの産生を改善するために、前駆体ゲラニル二リン酸（GPP）の合成は、異なる植物に由来する3つの特定のGPPシンターゼ遺伝子と内因性のファルネシル二リン酸合成酵素遺伝子変異体ERG20（G）（ERG20（K197G））およびERG20（WW）と比較することにより調節されました。（ERG20（F96W-N127W））、および内因性ERG20発現を制御し、IDI1、THMG1、およびUPC2-1を共発現することにより、メバロン酸経路の発現の増加と相まって。結果は、ERG20（WW）を過剰発現し、メバロン酸経路を強化することで、異種GPPシンターゼ遺伝子を発現したり、内因性ERG20発現をダウン調節したりしても、陽性効果を示さないことを示しました。さらに、Amino酸リンカーとタンパク質の順序を最適化した後、ERG20P（F96W-N127W）-TVOGES FUSIONタンパク質を構築し、ゲラニオール産生を66.2 mg/Lに達しました。最良の株は、FRBバッチ栽培で293 mg/Lのジェラニオールを生成しました。これは、エンジニアリングされたS. cerevisiae株で以前に報告された最高の力価を7倍改善しました。最後に、ゲラニオールの毒性が生産を制限することを示しました。ここで開発されたプラットフォームは、他のモノテルペンを合成するために容易に使用できます。

Monoterpenes have wide applications in the food, cosmetics, and medicine industries and have recently received increased attention as advanced biofuels. However, compared with sesquiterpenes, monoterpene production is still lagging in Saccharomyces cerevisiae. In this study, geraniol, a valuable acyclic monoterpene alcohol, was synthesized in S. cerevisiae. We evaluated three geraniol synthases in S. cerevisiae, and the geraniol synthase Valeriana officinalis (tVoGES), which lacked a plastid-targeting peptide, yielded the highest geraniol production. To improve geraniol production, synthesis of the precursor geranyl diphosphate (GPP) was regulated by comparing three specific GPP synthase genes derived from different plants and the endogenous farnesyl diphosphate synthase gene variants ERG20 (G) (ERG20 (K197G) ) and ERG20 (WW) (ERG20 (F96W-N127W) ), and controlling endogenous ERG20 expression, coupled with increasing the expression of the mevalonate pathway by co-overexpressing IDI1, tHMG1, and UPC2-1. The results showed that overexpressing ERG20 (WW) and strengthening the mevalonate pathway significantly improved geraniol production, while expressing heterologous GPP synthase genes or down-regulating endogenous ERG20 expression did not show positive effect. In addition, we constructed an Erg20p(F96W-N127W)-tVoGES fusion protein, and geraniol production reached 66.2 mg/L after optimizing the amino acid linker and the order of the proteins. The best strain yielded 293 mg/L geraniol in a fed-batch cultivation, a sevenfold improvement over the highest titer previously reported in an engineered S. cerevisiae strain. Finally, we showed that the toxicity of geraniol limited its production. The platform developed here can be readily used to synthesize other monoterpenes.