Lysine production from the sugar alcohol mannitol: Design of the cell factory Corynebacterium glutamicum SEA-3 through integrated analysis and engineering of metabolic pathway fluxes
2018
Hoffmann, Sarah Lisa | Jungmann, Lukas | Schiefelbein, Sarah | Peyriga, Lindsay | Cahoreau, Edern | Portais, Jean-Charles | Becker, Judith | Wittmann, Christoph | Institute of Systems Biotechnology ; Universität des Saarlandes [Saarbrücken] = Saarland University [Saarbrücken] | Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP) ; 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) | MetaToul FluxoMet (TBI-MetaToul) ; MetaboHUB-MetaToul ; MetaboHUB-Génopole Toulouse Midi-Pyrénées [Auzeville] (GENOTOUL) ; Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT) ; Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT) ; Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-MetaboHUB-Génopole Toulouse Midi-Pyrénées [Auzeville] (GENOTOUL) ; Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT) ; Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT) ; Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Toulouse Biotechnology Institute (TBI) ; 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 de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
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Show more [+] Less [-]English. The amino acid lysine is among the world’s most important biotechnological products, and enabling its manufacture from the most attractive new materials is an ever-present challenge. In this study, we describe a cell factory of Corynebacterium glutamicum, which produces lysine from mannitol. A preliminary mutant obtained by the deletion of the mannitol repressor MtlR in the glucose-based, lysine-producing C. glutamicum produced only small amounts of lysine. This limitation was due to the significant accumulation of fructose and a limited NADPH supply, which caused a low flux of only 6% into the oxidative pentose phosphate (PP) pathway. Subsequent expression of fructokinase slightly increased production but failed to substantially redirect the flux from the Emden-Meyerhof-Parnas (EMP) pathway to the PP pathway. This suggested the design C. glutamicum SEA-3, which overexpressed the NADPH-dependent glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase GapN from Streptococcus mutans and coupled the EMP pathway flux to NADPH formation. When grown on mannitol, the SEA-3 strain had a lysine yield of 0.24 mol mol-1 and a specific productivity of 1.1 mmol g-1 h-1, approximately 50% and 70% higher, respectively, than those of the basic producer. A computational pathway analysis revealed that this design would potentially enable a lysine yield of 0.9 mol mol-1, providing room for further development. Our findings open new avenues for lysine production from marine macroalgae, which is farmed globally as an attractive third-generation renewable resource.Mannitol is a major constituent of these algae (up to 30% and higher) and can be easily extracted from their biomass with hot water.
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Bibliographic information
This bibliographic record has been provided by Institut national de la recherche agronomique