Tăng cường biểu hiện cytochrome p450 125 trong Mycobacterium: một chiến lược hợp lý trong việc thúc đẩy quá trình chuyển hóa phytosterol

Oxford University Press (OUP) - Tập 45 Số 10 - Trang 857-867 - 2018
Liqiu Su, Yanbing Shen1, Menglei Xia1, Zhen Shang1, Shuangping Xu1, Xingjuan An1
1Tianjin University of Science and Technology

Tóm tắt

Tóm tắt Androst-4-ene-3, 17-dione (AD) và androst-1, 4-diene-3, 17-dione (ADD) thường được sản xuất từ quá trình chuyển hóa phytosterol trong Mycobacterium. Năng suất sản xuất AD (D) tăng lên khi chủng vi sinh vật có tỷ lệ NAD+/NADH cao. Để tăng cường sản xuất AD (D) trong Mycobacterium neoaurum TCCC 11978 (MNR M3), một chiến lược hợp lý đã được phát triển thông qua việc tăng cường biểu hiện của một gen liên quan đến con đường phân hủy phytosterol; NAD+ cũng được tạo ra. Phân tích proteome của MNR nuôi cấy có và không có phytosterol cho thấy rằng steroid C27-monooxygenase (Cyp125-3), đóng vai trò thực hiện các phản ứng oxy hóa liên tiếp của chuỗi bên sterol tại vị trí C27 và có cofactor oxy hóa NAD+ được tạo ra, đã đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa phytosterol của MNR M3. Để cải thiện năng suất của AD (D), gen cyp125-3 đã được tăng cường biểu hiện trong MNR M3. Hoạt tính đặc hiệu của Cyp125-3 trong chủng tái tổ hợp MNR M3C3 đã được cải thiện thêm 22% so với MNR M3. Tỷ lệ NAD+/NADH trong MNR M3C3 cao hơn 131% so với chủng gốc. Trong quá trình chuyển hóa phytosterol, tỷ lệ chuyển đổi sterol đã tăng từ 84 lên 96%, và năng suất AD (D) của MNR M3C3 đã tăng khoảng 18% trong quá trình lên men 96 giờ. Chiến lược điều chỉnh chủng hợp lý này cũng có thể được áp dụng để phát triển các chủng có giá trị ứng dụng quan trọng cho việc sản xuất hiệu quả các chuyển hóa phụ thuộc cofactor.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Capyk, 2009, Mycobacterial cytochrome p450 125 (Cyp125) catalyzes the terminal hydroxylation of C27 steroids, J Biol Chem, 284, 35534, 10.1074/jbc.M109.072132

Chen, 2006, Expression of a cholesterol oxidase gene from Arthrobacter simplex in Escherichia coli and Pichia pastoris, Enzyme Microb Technol, 39, 258, 10.1016/j.enzmictec.2006.01.018

Ding, 2009, Comparative metabolomic analysis on industrial continuous and batch ethanol fermentation processes by GC-TOF-MS, Metabolomics, 5, 229, 10.1007/s11306-008-0145-z

García, 2012, Catabolism and biotechnological applications of cholesterol degrading bacteria, Microb Biotechnol, 5, 679, 10.1111/j.1751-7915.2012.00331.x

Garcia-Villalba, 2008, Comparative metabolomic study of transgenic versus conventional soybean using capillary electrophoresis-time-of-flight mass spectrometry, J Chromatogr A, 1195, 164, 10.1016/j.chroma.2008.05.018

Geize, 2004, Harnessing the catabolic diversity of rhodococci for environmental and biotechnological applications, Curr Opin Microbiol, 7, 255, 10.1016/j.mib.2004.04.001

Geize, 2007, A gene cluster encoding cholesterol catabolism in a soil actinomycete provides insight into Mycobacterium tuberculosis survival in macrophages, Proc Natl Acad Sci USA, 104, 1947, 10.1073/pnas.0605728104

Ivashina, 2012, Cholesterol oxidase ChoD is not a critical enzyme accounting for oxidation of sterols to 3-keto-4-ene steroids in fast-growing Mycobacterium sp. VKM Ac-1815D, J Steroid Biochem, 129, 47, 10.1016/j.jsbmb.2011.09.008

Li, 2010, Cholesterol oxidase ChoL is a critical enzyme that catalyzes the conversion of diosgenin to 4-ene-3-keto steroids in Streptomyces virginiae IBL-14, Appl Microbiol Biotechnol, 85, 1831, 10.1007/s00253-009-2188-0

Livak, 2001, Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-ΔΔCT) method, Methods, 25, 402, 10.1006/meth.2001.1262

Malaviya, 2008, Androstenedione production by biotransformation of phytosterols, Bioresour Technol, 99, 6725, 10.1016/j.biortech.2008.01.039

McLean, 2009, The structure of Mycobacterium tuberculosis CYP125: molecular basis for cholesterol binding in a P450 needed for host infection, J Biol Chem, 284, 35524, 10.1074/jbc.M109.032706

Meyers, 1998, Novel method for rapid measurement of growth of Mycobacteria in detergent-free media, J Clin Microbiol, 36, 2752, 10.1128/JCM.36.9.2752-2754.1998

Ouellet, 2010, Mycobacterium tuberculosis CYP125A1, a steroid C27 monooxygenase that detoxifies intracellularly generated cholest-4-en-3-one, Mol Microbiol, 77, 730, 10.1111/j.1365-2958.2010.07243.x

Ouellet, 2011, Cholesterol catabolism as a therapeutic target in Mycobacterium tuberculosis, Trends Microbiol, 19, 530, 10.1016/j.tim.2011.07.009

Perez, 2006, A very efficient bioconversion of soybean phytosterols mixtures to androstanes by mycobacteria, J Ind Microbiol Biotechnol, 33, 719, 10.1007/s10295-006-0148-6

Rosłoniec, 2009, Cytochrome P450 125 (CYP125) catalyses C26-hydroxylation to initiate sterol side-chain degradation in Rhodococcus jostii RHA1, Mol Microbiol, 74, 1031, 10.1111/j.1365-2958.2009.06915.x

Shen, 2012, Infuence of hydroxypropyl-β cyclodextrin on phytosterol biotransformation by different strains of Mycobacterium neoaurum, J Ind Microbiol Biotechnol, 39, 1253, 10.1007/s10295-012-1130-0

Su, 2017, Improvement of AD biosynthesis response to enhanced oxygen transfer by oxygen vectors in Mycobacterium neoaurum TCCC 11979, Appl Biochem Biotechnol, 182, 1564, 10.1007/s12010-017-2418-3

Su, 2017, Cofactor engineering to regulate NAD+/NADH ratio with its application to phytosterols biotransformation, Microb Cell Fact, 16, 182, 10.1186/s12934-017-0796-4

Szentirmai, 1990, Microbial physiology of side chain degradation of sterols, J Ind Microbiol Biotechnol, 6, 101

Uhía, 2011, Initial step in the catabolism of cholesterol by Mycobacterium smegmatis mc2 155, Environ Microbiol, 13, 943, 10.1111/j.1462-2920.2010.02398.x

Wang, 2017, Comparative proteomic and metabolomic analysis of Streptomyces tsukubaensis reveals the metabolic mechanism of FK506 overproduction by feeding soybean oil, Appl Microbiol Biotechnol, 101, 2447, 10.1007/s00253-017-8136-5

Wei, 2014, Accumulation of androstadiene-dione by overexpression of heterologous 3-ketosteroid Δ1-dehydrogenase in Mycobacterium neoaurum NwIB-01, World J Microbiol Biotechnol, 30, 1947, 10.1007/s11274-014-1614-3

Wei, 2010, Inactivation and augmentation of the primary 3-ketosteroid-delta-1-dehydrogenase in Mycobacterium neoaurum NwIB-01: biotransformation of soybean phytosterols to 4-androstene-3,17-dione or 1,4-androstadiene-3,17-dione, Appl Environ Microb, 76, 4578, 10.1128/AEM.00448-10

Yao, 2013, Identifcation and engineering of cholesterol oxidases involved in the initial step of sterols catabolism in Mycobacterium neoaurum, Metab Eng, 15, 75, 10.1016/j.ymben.2012.10.005

Yao, 2014, Characterization and engineering of 3-ketosteroid-delta-1-dehydrogenase and 3-ketosteroid-9α-hydroxylase in Mycobacterium neoaurum ATCC 25795 to produce 9α-hydroxy-4- androstene-3, 17-dione through the catabolism of sterols, Metab Eng, 24, 181, 10.1016/j.ymben.2014.05.005

Yang, 2007, Rv1106c from Mycobacterium tuberculosis is a 3β-hydroxysteroid dehydrogenase, Biochemistry, 46, 9058, 10.1021/bi700688x

Zhang, 2009, Introduction of an NADH regeneration system into Klebsiella oxytoca leads to an enhanced oxidative and reductive metabolism of glycerol, Metab Eng, 11, 101, 10.1016/j.ymben.2008.11.001