イタコン酸の効率的な生産のための組み合わせ代謝工学による細胞工場の構築

背景：不飽和C5ジカルボン酸であるイタコン酸は、市場の需要と見通しが大きくなっています。抗がん、抗炎症剤、抗酸化などの多くの生物学的機能があり、産業における不可欠な再生可能プラットフォームの化学物質です。しかし、現在の標準生産株であるアスペルギルス・テロスによる工業用イタコン酸生産の開発は、その種の避けられない欠点によって妨げられています。非常に効率的なセルファクトリーを開発することは、イタコン酸の持続可能で緑色の生産に不可欠です。 結果：この研究では、大腸菌細胞を構築してイタコン酸を効率的に産生する組み合わせエンジニアリング戦略を採用しました。2つの必須遺伝子（CIS-Aconitate decarboxylase（CAD）遺伝子CADAおよびアコニターゼ（ACO）をコードする遺伝子ACNをコードする）は、さまざまな遺伝的構築物とプラスミドの組み合わせを使用して、スクリーニングする12の組換え大腸菌株を作成しました。その中で、大腸菌BL-CACは基質としてクエン酸塩を含む最高の力価を示し、誘導および反応条件はさらに系統的に最適化されました。その後、酵素の進化を使用して速度制限酵素CADを最適化し、ACOとCADを共局在させるタンパク質足場を合成して、イタコン酸生合成効率を改善しました。給餌制御戦略と組み合わせた最適化された反応条件下で、イタコン酸の力価は、9.42 gの最高特異生成を持つ触媒として、操作された大腸菌BL-CAR470E-DS/A-CS細胞の398.07 mm（51.79 g/L）に達しました。48時間の異種宿主の間の /g（dcw）。 結論：単位バイオマスあたりの優れた触媒性能は、イタコン酸の高効率生成と触媒細胞消費の効果的な減少の可能性を示しています。この研究は、既存のボトルネックを突破し、イタコン酸の経済的な商業生産を達成するために、高性能細胞工場を開発するためにエンジニアリング戦略を継続的に探求する必要があることを示しています。

BACKGROUND: Itaconic acid, an unsaturated C5 dicarbonic acid, has significant market demand and prospects. It has numerous biological functions, such as anti-cancer, anti-inflammatory, and anti-oxidative in medicine, and is an essential renewable platform chemical in industry. However, the development of industrial itaconic acid production by Aspergillus terreus, the current standard production strain, is hampered by the unavoidable drawbacks of that species. Developing a highly efficient cell factory is essential for the sustainable and green production of itaconic acid. RESULTS: This study employed combinatorial engineering strategies to construct Escherichia coli cells to produce itaconic acid efficiently. Two essential genes (cis-aconitate decarboxylase (CAD) encoding gene cadA and aconitase (ACO) encoding gene acn) employed various genetic constructs and plasmid combinations to create 12 recombination E. coli strains to be screened. Among them, E. coli BL-CAC exhibited the highest titer with citrate as substrate, and the induction and reaction conditions were further systematically optimized. Subsequently, employing enzyme evolution to optimize rate-limiting enzyme CAD and synthesizing protein scaffolds to co-localize ACO and CAD were used to improve itaconic acid biosynthesis efficiency. Under the optimized reaction conditions combined with the feeding control strategy, itaconic acid titer reached 398.07 mM (51.79 g/L) of engineered E. coli BL-CAR470E-DS/A-CS cells as a catalyst with the highest specific production of 9.42 g/g(DCW) among heterologous hosts at 48 h. CONCLUSIONS: The excellent catalytic performance per unit biomass shows the potential for high-efficiency production of itaconic acid and effective reduction of catalytic cell consumption. This study indicates that it is necessary to continuously explore engineering strategies to develop high-performance cell factories to break through the existing bottleneck and achieve the economical commercial production of itaconic acid.