Production of polyketide-based pharmaceuticals and nutraceuticals using metabolically engineered Actinobacteria

Abstract

In this work, Streptomyces rimosus and Corynebacterium glutamicum have been employed for the production of polyketide compounds, oxytetracycline and curcumin, as representatives of pharmaceuticals and nutraceuticals, respectively. Multi-omics systems biology tools enabled elucidation of the mechanisms underpinning superior oxytetracycline formation in the classical industrial producer S. rimosus HP126. Randomly introduced mutations modulated metabolism of S. rimosus towards elevated CoA-thioester formation and downstream oxytetracycline. Enhanced activity of acetyl-CoA supporting, and reduced activity of malonyl-CoA consuming pathways, as well as boosted activity of the oxytetracycline biosynthetic gene cluster supported 12-fold boosted production of oxytetracycline. Genetic engineering of the native phenylpropanoid catabolic pathway enabled high level production of multipotent plant polyphenol curcumin in C. glutamicum. Adjusting the ratio of growth and biotransformation substrates allowed additional boost in titre. Toning down consumption of acetyl-CoA by the TCA cycle enabled increased formation of curcumin. Moreover, production of curcumin induced global changes on gene expression level and in fatty acid composition. Finally, fed-batch fermentation of CUR-8 strain resulted with 806 mg L-1, surpassing insofar achieved titres.

In dieser Arbeit wurden Streptomyces rimosus und Corynebacterium glutamicum zur Produktion von Polyketide, Oxytetracyclin und Curcumin, als Vertreter für Arzneimittel und Nutrazeutika eingesetzt. Multi-Omics-Systembiologie-Tools ermöglichten die Aufklärung des Mechanismus, der der überlegenen Bildung von Oxytetracyclin im klassischen industriellen Produzenten S. rimosus HP126 zugrunde liegt. Zufällig eingeführte Mutationen modulierten den Stoffwechsel von S. rimosus hin zur erhöhten Bildung von CoA-Thioestern und nachfolgendem Oxytetracyclin. Die gesteigerte Aktivität des acetyl-CoA-unterstützenden und die reduzierte Aktivität des malonyl-CoA-verbrauchenden Stoffwechselwegs, sowie die gesteigerte Aktivität des Oxytetracyclin-Biosynthese-Gengruppe, unterstützten eine zwölffache Steigerung der Oxytetracyclin-Produktion. Die genetische Modifikation des nativen Phenylpropanoid-Katabolismus Wegs ermöglichte die hochgradige Produktion des vielseitigen Pflanzenpolyphenols Kurkumin. Die Anpassung des Verhältnisses von Wachstums- und Biotransformationssubstraten ermöglichte eine zusätzliche Steigerung des Titers. Die Reduzierung des Verbrauchs von Acetyl-CoA durch den TCA-Zyklus ermöglichte eine erhöhte Bildung von Kurkumin. Darüber hinaus führte die Produktion von Kurkumin zu globalen Veränderungen auf der Ebene der Genexpression und der Fettsäurezusammensetzung. Schließlich führte die Chargenfermentation des CUR-8-Stamms zu einer Ausbeute von 806 mg L-1, was bisher erreichte Titel übertraf.