Tuning the binding affinity of heme-responsive biosensor for precise and dynamic pathway regulation
Tuning the binding affinity of heme-responsive biosensor for precise and dynamic pathway regulation
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调整血红素响应生物传感器的结合亲和力以实现精确和动态的通路调节
DOI：
10.1016/j.isci.2020.101067
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发表时间：
2020-04
期刊：
影响因子：
5.8
通讯作者：
Qian Wang
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Jian Zhang;Zhiguo Wang;Tianyuan Su;Huanhuan Sun;Yuan Zhu;Qingsheng Qi;Qian Wang
代谢工程中动态途径控制的当前挑战是使人工调节系统的组成部分可调。在此，我们设计并构建了一个包含血红素生物传感器HrtR和CRISPRi的血红素响应调节系统，以调节化学物质的产生，同时维持细胞内血红素的稳态。利用HrtR位点饱和突变，通过半合理设计获得了一系列具有不同灵敏度和阈值的工程生物传感器。通过血红素滴定和分子动力学模拟证实了修饰后的HrtR的代谢物结合亲和力。通过基因表达和细胞内血红素浓度的波动，验证了该系统的动态调控模式。通过将5-氨基乙酰丙酸（ALA）的产量提高到大肠杆菌分批发酵的最高产量5.35g/L，证明了该调控体系的有效性。该系统还成功地用于改善卟胆色素原（PBG）和卟啉的生物合成，并可应用于许多其他生物过程。
Current challenge for dynamic pathway control in metabolic engineering is enabling the components of the artificial regulatory system to be tunable. Here, we designed and built a heme-responsive regulatory system containing a heme biosensor HrtR and CRISPRi to regulate chemicals production while maintaining the intracellular heme homeostasis. A series of engineered biosensors with varied sensitivity and threshold were obtained by semi-rational design with site saturated mutation of HrtR. The modified metabolite-binding affinity of HrtR was confirmed by heme titration and molecular dynamic simulation. Dynamic regulation pattern of the system was validated by the fluctuation of gene expression and intracellular heme concentration. The efficiency of this regulatory system was proved by improving the 5-aminolevulinic acid (ALA) production to 5.35g/L, the highest yield in batch fermentation ofEscherichia coli. This system was also successfully used in improving porphobilinogen (PBG) and porphyrins biosynthesis and can be applied in many other biological processes.
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