Sustainable bio-production of the platform chemical cis,cis-muconic acid using metabolically engineered Amycolatopsis sp. ATCC 39116

Abstract

The industrial utilization of lignocellulosic biomass encompasses not only virgin plants but also waste products such as lignin from the pulp and paper industry. This work investigated the use of Amycolatopsis sp. ATCC 39116 for the production of cis,cis-muconic acid (MA), an industrial precursor for commercial plastics, from lignin-derived aromatics such as guaiacol, vanillin, and vanillate. Initially, genome editing approaches were developed to create efficient cell factories lacking muconate cycloisomerase (catB) genes to enable MA accumulation. The resulting strain, Amycolatopsis sp. ATCC 39116 MA-2, produced 3.1 g L-1 MA from guaiacol within 24 hours, and it was capable of producing MA from a guaiacol-rich lignin hydrolysate. Furthermore, the mutant produced MA from vanillin and vanillate, important aromatics obtained by alkaline oxidation of softwood lignin. A total of 3.2 g L-1 MA was produced sugar-free from vanillate, which served as substrate for growth and production. The organism was further engineered to produce MA from protocatechuate using protocatechuate decarboxylase (AroY). Finally, the ability of Amycolatopsis sp. ATCC 39116 to grow on lignocellulosic materials, such as xylose from hemicellulose and spent sulfite liquor, was investigated. This study provides a crucial proof-of-concept for the integrated chemical and biochemical production of MA using lignocellulosic-derived waste streams.

Die industrielle Nutzung von Lignocellulose-basierten Materialien, wie z.B. Lignin, einem Abfallprodukt aus der Papierindustrie, ermöglicht eine nachhaltige und kostengünstige Produktion von Plattformchemikalien. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass cis,cis-Mukonsäure (MA), ein industrielles Vorprodukt für kommerzielle Kunststoffe, aus Guajakol-haltigen Lignin-Hydrolysaten gewonnen werden kann. Mithilfe neu entwickelter molekularbiologischer Methoden wurden hierfür zwei putative Mukonsäure-Cycloisomerasengene (catA) aus dem Genom von Amycolatopsis sp. ATCC 39116 entfernt. Der daraus resultierende Stamm MA-2 produzierte innerhalb von 24 Stunden 3,1 g L-1 MA aus Guajakol. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass MA auch aus Vanillin und Vanillat, die ebenfalls aus Lignin gewonnen werden können, hergestellt werden kann. Insgesamt wurden 3,2 g L-1 MA aus Vanillat produziert. Durch die genomische Integration der Protocatechuat-Decarboxylase (AroY) in das Genom der Mutante MA-2, war es außerdem möglich, MA aus Protocatechuat zu produzieren. Schließlich wurde die Fähigkeit des Stamms untersucht, auf Materialien wie Hemizellulose-Hydrolysaten und zuckerhaltigen Abfallströmen aus der Papierindustrie wachsen zu können. Diese Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zur integrierten chemischen und biochemischen Produktion von MA unter Verwendung von lignocellulosebasierten Abfallströmen und neu entwickelten Zellfabriken.