Systems metabolic engineering upgrades Corynebacterium glutamicum to selective high-level production of the L-lysine derivatives L-pipecolic acid and 5-aminovalerate

Abstract

The non-proteinogenic amino acid L-pipecolic acid (PIA) plays a crucial role in both plant-acquired immunity and cellular protection and exhibits commercial potential as agrochemical and chiral precursor for a variety of pharmaceuticals. Historically, fossil resources have served as the primary source for this molecule. Towards improved sustainability, however, bio-based production routes from renewable raw materials are desired. Biosynthetically, PIA is derived via the L-lysine pathway, suggesting L-lysine producing Corynebacterium glutamicum as promising cellular factory. Leveraging the principles of systems metabolic engineering, the L-lysine-hyperproducer C. glutamicum LYS-12 was successively optimized to enable PIA biosynthesis. First producers, based on incorporating the heterologous L-lysine 6-dehydrogenase pathway from Ruegeria pomeroyi, however, failed to efficiently provide the desired product. Comprehensive systems biology analyses then revealed a general incompatibility between the cellular environment and the demand of the pivotal enzyme within the foreign pathway. Out of several alternatives, the integration of the L-lysine 6-aminotransferase pathway from Flavobacterium lutescens enabled a breakthrough in performance, culminating in an impressive L-pipecolic acid yield of 0.562 mol mol-1. The finally created strain, C. glutamicum PIA-10B, comprising all beneficial changes, generated 93 g L-1 PIA via a glucose-based fed-batch process.

Die nicht-proteinogene Aminosäure L-Pipecolinsäure (PIA) spielt sowohl bei der Pflanzenimmunität als auch beim Zellschutz eine entscheidende Rolle und hat ein kommerzielles Potenzial als Agrochemikalie und chirale Vorstufe für eine Vielzahl an Arzneimitteln. Bislang dienten fossile Ressourcen als Hauptquelle für dieses Molekül. Im Sinne einer verbesserten Nachhaltigkeit werden biobasierte Produktionswege aus erneuerbaren Rohstoffen angestrebt. Biosynthetisch wird PIA über den L-Lysin-Weg gewonnen, weshalb das L-Lysin produzierende Bakterium Corynebacterium glutamicum als vielversprechende zelluläre Fabrik erscheint. Mittels Systems Metabolic Engineering wurde der L-Lysin-produzierende Stamm C. glutamicum LYS-12 sukzessive für die PIA-Biosynthese optimiert. Erste Produzenten, die den heterologen L-Lysin 6-Dehydrogenase-Stoffwecheselweg aus Ruegeria pomeroyi exprimierten, konnten das gewünschte Produkt jedoch nicht effizient herstellen. Systembiologische Analysen zeigten eine generelle Inkompatibilität zwischen der zellulären Umgebung und dem Bedarf des zentralen Enzyms im fremden Stoffwechselweg. Unter mehreren Alternativen ermöglichte die Integration des L-Lysin 6-Aminotransferase- Stoffwechsels aus Flavobacterium lutescens eine massive Steigerung der Produktion bis zu einer PIA-Ausbeute von 0.562 mol mol-1. Die Zellfabrik C. glutamicum PIA-10B, die alle vorteilhaften Veränderungen enthielt, erzeugte 93 g L-1 PIA in einem glukosebasierten Fed-Batch-Verfahren.